JPH1171194A

JPH1171194A - 垂直ブリッジマン法による単結晶の製造方法及びそれに用いる原料供給量の決定方法

Info

Publication number: JPH1171194A
Application number: JP9243497A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Suzuki; 聡史鈴木; Akio Takahashi; 明夫高橋
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 1999-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】垂直ブリッジマン法により高品質の単結晶を
歩留まりよく製造すること【解決手段】縦長の電気炉に収容した細長いルツボ１
に原料を供給しながらルツボ１を下降させる垂直ブリッ
ジマン法による単結晶の製造方法において、炉内の温度
勾配を一定に保つとともにルツボ１の下降速度を一定に
保ち、かつルツボ１への原料供給量を所定の制御パター
ンに基づいて時間とともに徐々に少なくするように制御
することで、ルツボ内の融液帯の厚さｈをほぼ一定に保
つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、垂直ブリッジマン
法による単結晶の製造方法及びそれに用いる原料供給量
の決定方法に関し、特に、より高品質の単結晶を歩留ま
りよく製造するための技術改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】よく知られているように、Ｍｇ−Ｚｎフ
ェライトやＬｉＦ、ＣａＦ２の光学結晶の製造には、次
のような垂直ブリッジマン法が採用されている。

【０００３】まず、縦長の電気炉に細長いルツボを収容
する。この電気炉のヒーターを制御する温度制御系によ
り、炉内は上下方向に所定の温度勾配に保たれる。そし
てルツボはサーボ機構より所定の速度で炉内を上下動さ
れる。炉内の中央部分に最高温度ゾーンがあり、ルツボ
は一定の速度でゆっくりと下降される。

【０００４】ルツボの下端に種結晶が入っており、その
上に供給される。炉内の温度は、中央所定位置が最高温
度ゾーンになっており、その最高温度ゾーンより上方並
びに下方に行くに従って、徐々に低下するような温度勾
配に保たれるので、上記のようにルツボを下降移動する
と、ルツボは下端から徐々に最高温度ゾーンを通過す
る。すると、最高温度ゾーンを通過するときに原料は溶
融し、通過した後は徐々に冷えて単結晶化していく。ま
た、ルツボの下降に合せてルツボ内に上方から原料を追
加投入することで、ルツボ内の原料融液の液面が炉内の
一定高さ位置に保たれるように制御する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の垂直ブリッジマ
ン法による単結晶の製造方法では、育成中は、炉内の温
度勾配を一定に保ち、ルツボの下降速度を一定に保ち、
ルツボへの単位時間あたりの原料供給量を一定に保って
いた。そのような制御により、前述したように、ルツボ
内の原料融液の液面が炉内の一定高さ位置に保たれ、そ
の状態でルツボ内の下端から上方に向かって徐々に単結
晶が成長していく。

【０００６】ところが、この従来方法では高品質の単結
晶を歩留まりよく製造できないという問題があった。品
質上の問題点とは、組成の不均一が生じやすい、亀
裂が混入しやすい、ルツボ材である白金が混入しやす
い、複数面成長が発生しやすい、などである。

【０００７】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、垂直ブリッジマン法により高品質の単結晶を歩留ま
りよく製造することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】よく知られているよう
に、ブリッジマン法による結晶成長においては、原料溶
液と成長結晶との境界部分（固液界面）に与えられた温
度条件が、成長する結晶の品質に重大な影響を及ぼす。
前述の従来方法では、固液界面が受ける温度条件を適正
化すべく実験を繰り返して、炉内の温度勾配、ルツボの
下降速度、ルツボへの原料供給量を設定していた。その
設定条件により、ルツボ内の原料融液の液面を炉内の一
定高さ位置に保っている。

【０００９】本発明者らはブリッジマン法による結晶成
長についてさまざまな実験と分析を繰り返した結果、炉
内の温度勾配、ルツボの下降速度、ルツボへの原料供給
量を一定に保つようにした従来の方法では、結晶成長に
従い固液界面が下降することがわかった。すると、固液
界面の炉内位置が変化するので、相対的な温度設定・勾
配も異なることになり、その変化が成長結晶の品質低下
の原因になる。さらに、原料融液の液面の炉内位置が一
定になるように制御していたので、時間の経過に伴って
原料融液の液面と固液界面の間隔（融液帯の厚さ）が長
くなり、液面と固液界面の温度差も大きくなるので、係
る点からも結晶品質の劣化の原因になる。

【００１０】この研究成果に基づいて、垂直ブリッジマ
ン法による単結晶の製造方法について、本発明では次の
ように改良した。つまり、縦長の電気炉に収容した細長
いルツボに原料を供給しながら当該ルツボを下降させる
垂直ブリッジマン法による単結晶の製造方法において、
前記ルツボの下降移動に追従して製造条件を変更調整
し、結晶育成中は前記ルツボ内の溶融している原料の幅
である融液帯の厚さを一定に保つように育成プロセスを
制御するようにした（請求項１）。

【００１１】そして、上記の融液帯の厚さを一定に保つ
方法としては、例えば、育成プロセス（育成条件）とし
て従来固定であった「炉内の温度勾配（側温設定）」，
「ルツボ降下速度」，「ルツボへの原料供給量」のう
ち、少なくとも１つを変更制御すること等がある。つま
り、側温設定温度を時間の経過に伴い連続的或いはステ
ップ的に下げていったり、ルツボ降下速度を増速してい
ったり、原料供給量を減少することにより、融液帯の厚
さを一定に保つように制御することができる。そして、
実験を繰り返し行った結果、請求項２に規定するよう
に、ルツボの原料供給量を制御（減少していく）するの
が最も好ましいことがわかった。

【００１２】すなわち、上記した３つの条件のうち、１
つのみを変化させて実験を行った結果、いずれも従来方
法によるものよりも品質がよく、不良部分の少ない単結
晶を育成することができた。つまり、インゴット（育成
した単結晶）の上部（育成後期）でルツボ材（白金）の
混入が減少し、また亀裂の発生も減少した。さらに、育
成初期から後期にわたって、組成の変動が少なく、均一
な磁気特性を得ることのできる範囲が拡大した。

【００１３】そして、特に請求項２の方法を用いた場合
には、本発明に係る他の方法によるものと比較してもさ
らに複数面成長（ＳｕｂＧｒａｉｎ）の発生率が少な
くなった（特にインゴット上部）。

【００１４】さらに、請求項２に規定する原料供給量を
決定する方法としては、例えば育成条件を一定にして所
定量の原料を供給して実際に単結晶を育成する。そし
て、開始時と終了時の状態から必要なデータを取得し、
その充填開始時のルツボ内の固液界面の位置及び融液帯
の厚さと、前記固液界面の温度を直接または間接的に求
め、次いで、育成終了時の前記電気炉内の温度勾配を求
めるとともに、その求めた温度勾配と、充填開始時の固
液界面の温度から、育成終了時の固液界面の位置を推定
し、その推定した育成終了時の固液界面と前記融液帯の
厚さから、育成終了時の目標とする目標液面位置を求
め、その目標液面位置になるような時間経過に伴う原料
供給量を算出することができる（請求項３）。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明を適用した垂直ブリッジマ
ン法による単結晶の製造方法の一実施の形態の概要を図
１に示している。図１では、炉内におけるルツボ１の位
置変化と、ルツボ１内の原料融液２の液面３および固液
界面４の位置を、初期（Ａ）、中期（Ｂ）、終期（Ｃ）
の３段階で示している。また図２のグラフには、初期
（Ａ）→中期（Ｂ）→終期（Ｃ）にわたってルツボ１へ
の原料供給量の変化を示している。

【００１６】本形態においては、炉内の温度勾配を一定
に保つとともにルツボの下降速度を一定に保つことは前
述したとおりである。そして、炉内の温度勾配（設定温
度）が一定でも固液界面４の位置は徐々に低下してい
く。これは、おそらく炉の周囲に設置されたヒーターに
よる加熱温度は一定でも溶融する原料融液２が持つ熱量
などが影響し、炉の側温温度が低い下方の領域側でもル
ツボ内の温度は原料の融点以上になるためと推測でき
る。

【００１７】そこで、本形態ではルツボ１への原料供給
量を図２に示すように初期（Ａ）→中期（Ｂ）→終期
（Ｃ）と徐々に少なくしているので、図１に示すよう
に、ルツボ１内の原料融液２の液面３の炉内位置が、固
液界面４の炉内位置の低下に追従して下降するようにな
り、その結果融液帯の厚さｈは、初期（Ａ）→中期
（Ｂ）→終期（Ｃ）とほぼ一定に保たれる。

【００１８】図３，図４は、図２に示すような原料供給
量の制御を行うための具体的な時間経過に伴う供給量を
決定する方法の実施の形態の一例を示している。図３は
初期状態（充填開始時ルツボ状態）では融液帯の厚さが
ｈであったのに対し、終期状態（充填終了時ルツボ状
態）では固液界面の位置が下降し融液帯の厚さがｈ′に
なったことを図示するとともに、その時の炉内のルツボ
の位置及び炉内の温度勾配の一例を示している。

【００１９】そして、実際に処理を行うには、図４に示
すフローチャートを実行することにより供給量を決定す
る。すなわち、まず融解した初期原料が充填されたルツ
ボが単結晶化するために降下を初めて原料の充填を開始
した時点での炉心管内の温度勾配と、ルツボの位置を求
め、それを初期データとする（ＳＴ１）。これにより、
図３に示す一点鎖線の温度勾配プロファイルと、充填開
始時の模式図が得られる。

【００２０】次に、通常（従来の育成条件固定）の方法
により単結晶を育成し、所定量充填したならば、その時
の炉心管内の温度勾配を求め、それを比較データとする
（ＳＴ２）。これにより、図３に示す実線の温度勾配プ
ロファイルが得られる。

【００２１】次いで、初期データから、必要な一次必須
データを取得する（ＳＴ３）。すなわち、育成終了後に
種部の溶けた長さ、位置を求める事で、固液界面の位置
を調査し、温度プロファイルと照らし合わせて固液界面
境界の温度を読み取る。図示の例では１６００度が固液
界面温度となる。また、ルツボの位置（特に固液界面の
位置（−８００ｍｍ）と融解した原料（融液）の液面の
位置（−７６０ｍｍ））に基づいて、融液帯の厚さｈ
（４０ｍｍ）を求める。このように、固液界面温度と融
液帯の厚さｈが一次必須データとなる。

【００２２】また、上記一次必須データと比較データに
基づいて、２次必須データとなる終了時の固液界面位置
を特定する（ＳＴ４）。すなわち、ステップ３で求めた
固液界面温度と終了時温度勾配プロファイルに基づいて
終了時の温度勾配における固液界面温度の炉内位置を求
める（図示の例では−８１０ｍｍ）。

【００２３】そして、終了時の融液帯の厚さｈ′が初期
の融液帯の厚さｈに等しくなるような終了時の融解した
原料の液面位置を求める（ＳＴ５）。具体的には、ステ
ップ４で求めた固液界面の位置に融液帯の厚さｈを加算
することにより求める（図示の例では、−８１０ｍｍ＋
４０ｍｍ＝−７７０ｍｍ）。

【００２４】次いで、初期の液面位置（−７６０ｍｍ）
と、終了時の液面位置（−７７０ｍｍ）の差から、供給
速度を決定する（ＳＴ６）。つまり、最終的な終了時の
液面が、ステップ５で求めた位置になるような原料の供
給速度（単位時間あたりの供給量）を求める。そして、
一例を示すと、充填開始から終了までの時間がわかって
いるので、固液界面の下降の変化率が等しいとすると、
液面位置の下降の変化率も一定となる。そこで、そのよ
うに変化率が一定とみなすことにより、供給量の減少率
も一定にすることができ、図２に示すような原料供給量
の変化が一次関数で示すようになる。そして、具体的な
原料供給量の変化率は、固液界面（原料の液面）の下降
の変化率に応じて簡単に求められる。

【００２５】＊実験結果本発明の効果を実証するため、以下の実験を行った。温
度勾配並びにルツボの下降速度を一定にし、液面を一定
になるように原料を供給する従来の方法と、本発明に係
る融液帯を一定に保つように、育成条件のいずれか１つ
を変更制御する方法により、同一寸法の単結晶（インゴ
ット）を製造した。最も効果の大きい原料の供給速度を
減少していくものと、係る供給速度が最も優れているこ
とを立証するために比較例として、本発明の実施の形態
の１つである側温温度を下げていく方法と、ルツボの降
下速度を上昇していく方法を行った。

【００２６】そして、各方法に対する評価方法として
は、最終的にできた製品が仕様を満足するか否かが重要
であるので、不良品の発生率を求め、歩留まりがどれだ
け向上するかを求め、その総合的な評価により得られた
歩留まりが高いほど優れた育成方法と評価することにし
た。

【００２７】そして、歩留まりを低下させる不良要素と
して、白金の混入，組成，亀裂の有無の３つを選択し
た。そして、育成されたインゴットを１５ｍｍの厚さで
スライスし、初期（下側の部分）Ｌ１から後期（上側の
部分）Ｌ１７の計１７枚の円板（ウエハー）を製造す
る。そして、各ウエハーに対し、以下の基準によりここ
のウエハーに対する製品の取数を求め、その取数の大小
から歩留まりを求めた。

【００２８】＊＊白金についてウエハーを８分割し、各分割した領域に対し、１ｃｍ²
あたり２０個以下の白金の混入があった場合には、その
領域全体は使用できるとし「１」（１００％）とする。
逆に１ｃｍ²あたり２１個以上の白金の混入があった場
合には、その領域全体は使用できないとし「０」（０
％）とする。そして、分母が８で分子が「１」となった
領域の数を白金に対する歩留まり減少率とする。よっ
て、０／８（すべての領域が使用不可）から８／８（す
べての領域が使用可）の値をとることになる。

【００２９】＊＊組成についてＦｅ₂Ｏ₃が５４以上５５以下［ｍｏｌ％］の場合が良
品の範囲とし、その上は全体が使用可能とし「１」（１
００％）とする。また、組成が上記範囲を越えている場
合には、製品が不良品となるので、そのウエハー全体が
使用不可「０」（０％）とする。

【００３０】＊＊亀裂について便宜上１つのウエハー中に５本以上の亀裂がある場合に
は、そのウエハーからは３０本の製品がとれるものと
し、以下順に３〜５本：６０本，１〜２本（長いも
の）：１８０本，１〜２本（短い）：２７０本，０本：
３５４本の製品がとれるものとした。

【００３１】そして、上記した３つの不良要素の各値を
掛け合わすことにより、そのウエハーから取り出せる製
品の数を求め、その結果を下記表に示す。なお、表中の
合計の欄は、その手法により得られたインゴットから取
り出せる製品の総数であり、その下の比較の欄は、従来
の一般的手法により得られた取数の合計（４２３個）を
基準（１００％）とした場合の各種法による取数の比率
である。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】上記した結果から明らかなように、本発明ではいずれの
ものでも従来の方法に比べて歩留まりが向上したことが
確認できた。また、本発明の中でも、原料の供給量（供
給速度）を減少させる手法が、歩留まりが最も大きく、
また、育成開始当初から終了間際まで均等に取り出すこ
とができることがわかった。

【００３４】

【発明の効果】本発明では、縦長の電気炉に収容した細
長いルツボに原料を供給しながら当該ルツボを下降させ
る垂直ブリッジマン法による単結晶の製造方法におい
て、融液帯の厚さを一定にするように制御したため、高
品質な単結晶を歩留まりよく育成することができる。特
に炉内の温度勾配を一定に保つとともにルツボの下降速
度を一定に保ち、かつルツボへの原料供給量を所定の制
御パターンに基づいて時間とともに徐々に少なくするよ
うに制御するようにすると、良品の発生率が向上し、歩
留まりが高く生産性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した垂直ブリッジマン法による単
結晶の製造方法の概要図である。

【図２】同上製造方法におけるルツボの下降速度の制御
パターンの一例を示すグラフである。

【図３】本発明に係る原料供給量の決定方法の一実施の
形態を説明する図である。

【図４】本発明に係る原料供給量の決定方法の一実施の
形態を説明するフローチャートである。

【符号の説明】

１ルツボ２原料融液３液面４固液界面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】縦長の電気炉に収容した細長いルツボに
原料を供給しながら当該ルツボを下降させる垂直ブリッ
ジマン法による単結晶の製造方法において、前記ルツボの下降移動に追従して製造条件を変更調整
し、結晶育成中は前記ルツボ内の溶融している原料の幅
である融液帯の厚さを一定に保つように育成プロセスを
制御するようにしたことを特徴とする垂直ブリッジマン
法による単結晶の製造方法。
【請求項２】前記育成プロセスの制御は、炉内の温度
勾配を一定に保つとともにルツボの下降速度を一定に保
ち、かつルツボへの原料供給量を所定の制御パターンに
基づいて時間とともに徐々に少なくするように制御する
ことで、ルツボ内の融液帯の厚さをほぼ一定に保つもの
であることを特徴とする請求項１に記載の垂直ブリッジ
マン法による単結晶の製造方法。
【請求項３】請求項２における制御パターンを決定す
るための原料供給量の決定方法であって、育成条件を一定にして所定量の原料を供給して単結晶を
育成し、その充填開始時のルツボ内の固液界面の位置及び融液帯
の厚さと、前記固液界面の温度を直接または間接的に求
め、次いで、育成終了時の前記電気炉内の温度勾配を求める
とともに、その求めた温度勾配と、充填開始時の固液界
面の温度から、育成終了時の固液界面の位置を推定し、その推定した育成終了時の固液界面と前記融液帯の厚さ
から、育成終了時の目標とする目標液面位置を求め、その目標液面位置になるような時間経過に伴う原料供給
量を算出するようにしたことを特徴とする原料供給量の
決定方法。