WO2019230701A1 - チューブ状単結晶体の製造装置および製造方法 - Google Patents

チューブ状単結晶体の製造装置および製造方法 Download PDF

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一郎 坂野
原田　真利
明雄 福飯
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京セラ株式会社
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    • C30B29/66—Crystals of complex geometrical shape, e.g. tubes, cylinders

Definitions

  • the present disclosure relates to an apparatus for manufacturing a tube-shaped single crystal such as a sapphire single crystal, and a method for manufacturing a tube-shaped single crystal using the same.
  • an edge-defined film fed growth method (edge-defined film-fed-growth method, hereinafter sometimes abbreviated as EFG method) is known.
  • EFG method edge-defined film-fed-growth method
  • the raw material of the single crystal filled in the crucible is heated and melted, and the seed crystal (seed) is brought into contact with the melt that has risen up to the upper surface of the die by capillary action through the slit in the die (mold) installed in the crucible.
  • a single crystal body in the form of a rod, plate (ribbon), or tube is grown.
  • Patent Document 1 The production of a single crystal by the EFG method is disclosed in Patent Document 1, for example.
  • a single crystal can be produced while maintaining the plane orientation of the seed crystal. Therefore, there is an advantage that a single crystal body having a desired plane orientation, for example, a single crystal body having a desired plane orientation can be obtained without performing complicated processing for adjusting the plane orientation in a subsequent process. .
  • the tube-shaped single crystal is grown while making the slit in the die (mold) annular, and pulling up the single crystal from the annular slit in a tubular shape.
  • An apparatus for producing a tube-shaped single crystal includes a crucible filled with a raw material of a single crystal, heating means for melting the raw material in the crucible, and melting in the crucible disposed in the crucible.
  • a die having an annular slit for sucking the liquid, holding the molten liquid on the upper surface, and a seed crystal contacting the molten liquid on the upper surface of the die are attached to the lower end, and pulling up the seed crystal from the molten liquid A lifting means for nurturing the body.
  • the upper surface of the die includes an upward slope that increases from the annular slit toward the inner diameter side and the outer diameter side as the distance from the annular slit increases, and the maximum height (H1) of the inner diameter side slope and the outer diameter side slope
  • the difference (H1-H2) from the maximum height (H2) is 0.1 mm or more and less than 7.5 mm.
  • a method for producing a tube-shaped single crystal according to the present disclosure is a method for growing a tube-shaped single crystal by an EFG method, wherein a raw material of the single crystal is filled in a crucible and a high-frequency coil surrounding the outer periphery of the crucible is used.
  • the raw material in the crucible is induction-heated and melted to obtain a molten liquid, and the molten liquid is supplied and held on the upper surface of the die through an annular slit formed in a die disposed in the crucible.
  • the upper surface of the die includes an upward slope that increases from the annular slit toward the inner diameter side and the outer diameter side as the distance from the annular slit increases, and the maximum height (H1) of the inner diameter side slope and the outer diameter side
  • the difference (H1 ⁇ H2) from the maximum height (H2) of the slope is 0.1 mm or more and less than 7.5 mm.
  • a die (die) 102 having a slit (gap) 101 is installed in a crucible 100.
  • the raw material of the single crystal 105 filled in the crucible 100 is heated and melted by the heating coil 103 disposed on the outer periphery of the crucible 100.
  • the obtained melt 104 ascends in the slit 101 to the upper surface of the die 102 by capillary action.
  • a single crystal 105 is grown by bringing a later-described seed crystal 6 into contact with the surface of the melt 104 and pulling it upward.
  • reference numeral 106 indicates a solid-liquid interface between the melt 104 and the single crystal 105.
  • FIG. 2 shows an apparatus for manufacturing the tubular single crystal body 5 according to an embodiment of the present disclosure, and particularly shows a state where the tubular single crystal body 5 is grown.
  • the crucible 1 to which the raw material of the single crystal body 5 is supplied is installed at the lower part in the growth chamber 10 and is held by the gantry 11.
  • the growth chamber 10 is a cylindrical container and is made of a refractory material such as Mo, W, W—Mo alloy, carbon, zirconia (ZrO 2 ), and alumina.
  • the crucible 1 is made of molybdenum (Mo), tungsten (W), tungsten molybdenum alloy (W—Mo), iridium (Ir), or the like.
  • the growth chamber 10 has a sealed structure and is provided with a gas supply port and a gas discharge port (not shown). In order to prevent oxidation, an inert gas such as argon gas is supplied into the growth chamber 10 from the gas supply port, and the single crystal body 5 is grown in an inert gas atmosphere.
  • an inert gas such as argon gas is supplied into the growth chamber 10 from the gas supply port, and the single crystal body 5 is grown in an inert gas atmosphere.
  • the heating coil 3 is spirally wound around the growth chamber 10 so as to surround the crucible 1.
  • the heating coil 3 is an induction coil through which a high-frequency current flows when a high-frequency voltage is applied. That is, when a high frequency current flows through the heating coil 3, a magnetic field is formed around the crucible 1, and an eddy current is generated on the surface of the crucible 1 by this magnetic field, and the crucible 1 generates heat.
  • the crucible 1 is provided with a die 2.
  • An annular slit 12 is formed in the die 2.
  • a seed holder 7 holding a seed crystal (seed) 6 at the lower end is installed above the die 2.
  • the seed holder 7 is composed of a shaft body, can be moved up and down in the vertical direction by a control means (not shown), and can rotate around the axis.
  • the shape of the seed crystal 6 is not particularly limited, and for example, has a plate shape, a rod shape, or a tubular shape.
  • the raw material of the single crystal body 5 filled in the crucible 1 is heated and melted by the heating coil 3.
  • the obtained melt 4 rises to the upper surface of the die 2 through the annular slit 12 by capillary action.
  • the lower end of the seed crystal 6 comes into contact with the melt on the upper surface of the die 2 and is pulled upward 2 at a constant speed, whereby a single crystal body 5 is obtained.
  • reference numeral 14 indicates a solid-liquid interface between the melt 4 and the single crystal body 5.
  • the inner and outer diameter sides of the annular slit 12 are partially connected at the bottom of the die 2, for example, so as not to hinder the rise of the melt 4.
  • the sapphire single crystal 5 when producing the sapphire single crystal 5 as a raw material of the single crystal 5, high-purity alumina (Al 2 O 3 , purity 99.9% or higher) is used, and the melting point of alumina (about 2050 ° C.) or higher.
  • the raw material is heated at a temperature of
  • FIG. 4 shows a normal die 20 for producing the tubular single crystal body 5.
  • the die 20 has an annular slit 22.
  • the upper surface of the die 20 includes upward slopes 22a and 22b that become higher from the annular slit 22 toward the inner diameter side and the outer diameter side, respectively, and the upper slopes 22a and 22b are increased.
  • Each maximum height H 0 is equal.
  • the other members in FIG. 4 are the same as those in FIG. In FIG. 4, reference numeral 14 'indicates a solid-liquid interface.
  • the temperature on the inner diameter side covered with the inner wall 5 a of the grown tubular single crystal body 5 is the temperature on the outer diameter side. Higher than. Therefore, a temperature difference occurs between the inner diameter side and the outer diameter side of the die 20, and it is difficult to stably grow the tubular single crystal body 5. Therefore, problems such as the tube-shaped single crystal body 5 being bent and the wall thickness being thin are likely to occur.
  • the die 2 according to this embodiment shown in FIG. 3 has an annular slit 12 as in FIG.
  • Each side includes upward slopes 2a and 2b that increase as the distance from the annular slit 12 increases.
  • the maximum height H1 of the slope 2a on the inner diameter side is formed larger than the maximum height H2 of the slope 2b on the outer diameter side.
  • the maximum height H1 of the slope 2a on the inner diameter side of the die 2 to be larger than the maximum height H2 of the slope 2b on the outer diameter side, the temperature at the tip of the slope 2a on the inner diameter side decreases, and the outer diameter The temperature difference from the tip of the side slope 2b is eliminated or reduced.
  • the stable tubular single crystal body 5 can be grown. That is, it is suppressed that the tube-shaped single crystal body 5 is bent or the wall thickness is reduced, and the thickness accuracy of the obtained tube-shaped single crystal body 5 is improved.
  • 5A and 5B are partial cross-sectional views showing a part of the annular slit 12.
  • the melt 4 is supplied and held on the upper surface of the die 2 through the annular slit 12, and this melt 4
  • the tip 6a of the seed crystal 6 is disposed and brought into contact with at least the liquid surface of the substrate. From this state, the seed holder 7 holding the seed crystal 6 at the lower end is raised, and as shown in FIG. 5B, the seed crystal 6 is pulled up from the melt 4 in the vertical direction at a constant speed and gradually cooled to form a tube.
  • Single crystal 5 is grown.
  • the melt 4 supplied to the upper surface of the die 2 by the annular slit 12 is held in an annular shape.
  • the seed crystal 6 is formed in a plate shape or a rod shape. As shown in FIG. 5 (a), the seed crystal 6 is brought into contact with at least one location of the melt 4 held in an annular shape, and the seed crystal 6 is pulled upward in this state, thereby FIG. 5 (b). As shown, a tubular single crystal 5 can be obtained.
  • FIG. 5B shows a state immediately after the pulling. When the seed crystal 6 is further pulled up from the state of FIG. 5B, the maximum height of the slope 2b on the outer diameter side from the maximum height (H1) portion of the slope 2a on the inner diameter side as shown in FIG.
  • H2 A tubular single crystal 5 having a thickness t substantially equal to the width to the part is obtained.
  • the plate-like or rod-like seed crystal 6 may be brought into contact with the melt 4 held in an annular shape at two or more locations and simultaneously pulled up.
  • the seed crystal 6 may be formed in the same ring shape as the melt 4 and may be brought into contact with the liquid surface of the melt 4 over the entire circumference.
  • the single crystal 5 grows with the same plane orientation as the plane orientation (crystal orientation) of the seed crystal 6. Therefore, it is necessary to precisely adjust the positional relationship between the seed crystal 6 and the die 2, but in this embodiment, it can be adjusted in the same manner as in the past.
  • the upper surface of the die 2 has an upward slope 2a that becomes higher from the annular slit 12 toward the inner diameter side and the outer diameter side as the distance from the annular slit 12 increases.
  • 2b is included, and the height of the slope 2a on the inner diameter side is larger than the height of the slope 2b on the outer diameter side. Therefore, the tube-shaped single crystal body 5 can be stably grown, and it is possible to prevent the tube-shaped single crystal body 5 from being bent or having a poor thickness.
  • the tube-shaped single crystal body 5 according to the present disclosure is suitably used as a plasma generation tube in a semiconductor manufacturing apparatus (SPE), a protection tube such as a thermocouple, a protection tube such as a sensor in an analysis device, or a container for a sample, can do.
  • SPE semiconductor manufacturing apparatus
  • the difference (H1 ⁇ H2) between the maximum height (H1) of the slope on the inner diameter side of the annular slit on the upper surface of the die and the maximum height (H2) of the slope on the outer diameter side is 0.1 mm or more, Since it is less than 7.5 mm, the temperature of the upper surface of the die on the inner diameter side is lowered, and the temperature difference from the upper surface of the die on the outer diameter side is eliminated or reduced, so that the tube-shaped single crystal can be stably grown. It is possible to prevent the tube-shaped single crystal from being bent or having a poor thickness.
  • the embodiment of the present disclosure has been described above, but the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and improvements may be made within the scope of the claims.
  • the manufacturing apparatus and manufacturing method of the single crystal body of the present disclosure are not limited to the sapphire single crystal body 5, and examples thereof include silicon (Si), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), and rutile (TiO 2 ). The same applies to the production of the single crystal 5.
  • the maximum height difference (H1 ⁇ H2) of the die 2 is 0 mm, 7.5 mm, or 10.0 mm
  • the temperature difference between the inner diameter side and the outer diameter side of the tube-shaped single crystal increases, and the tube shape The single crystal was bent and poor in thickness.
  • H1-H2 is 0 mm
  • the temperature on the inner diameter side is appropriate, and when the temperature on the outer diameter side is lower than that, bending is likely to occur due to the temperature on the outer diameter side.
  • the temperature on the outer diameter side is an appropriate temperature and the temperature on the inner diameter side is higher than that, it is presumed that the thickness of the tubular single crystal is likely to be reduced due to the temperature on the inner diameter side.
  • H1-H2 is 7.5 mm and 10.0 mm
  • the temperature on the inner diameter side is lower than the temperature on the outer diameter side, so it is estimated that bending occurs. Further, when the temperature on the inner diameter side was lowered, a defect that the single crystal was fixed to the die and the die was lifted was observed.

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Abstract

単結晶体の原料が充填される坩堝と、前記坩堝内の前記原料を溶融させる加熱手段と、前記坩堝内に配置され、坩堝内の溶融液を吸い上げる環状スリットを有し、上面に前記溶融液を保持したダイと、前記ダイ上面の前記溶融液に接触する種結晶が下端に取付けられ、前記溶融液から前記種結晶を引き上げながら単結晶体を育成する引き上げ手段と、を備えたチューブ状単結晶体の製造装置である。前記ダイの上面は、前記環状スリットから内径側および外径側にそれぞれ環状スリットから離れるに従って高くなる上向きの斜面を含んでおり、内径側の斜面の最大高さ（Ｈ１）が外径側の斜面の最大高さ（Ｈ２）よりも大きく、その差（Ｈ１－Ｈ２）が０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満である。

Description

チューブ状単結晶体の製造装置および製造方法
　本開示は、サファイア単結晶体等のチューブ状単結晶体の製造装置、およびこれを用いるチューブ状単結晶体の製造方法に関する。
　従来から、単結晶体を育成する方法として、エッジ‐デファインド・フィルムフェッド・グロース法（edge defined film fed growth法、以下、ＥＦＧ法と略称することがある。）が知られている。この方法は、坩堝に充填した単結晶体の原料を加熱溶融し、坩堝内に設置したダイ（金型）内のスリットを毛細管現象によってダイ上面まで上昇した溶融液に種結晶（シード）を接触させ、上方に引き上げることで、棒状、板（リボン）状、チューブ状の単結晶体を成長させるものである。
　ＥＦＧ法による単結晶体の製造は、例えば特許文献１に開示されている。ＥＦＧ法によれば、種結晶の面方位を維持したまま単結晶体を製造することができる。そのため、後工程で面方位を調整するための複雑な加工を行うことなく、所望の面方位を有する単結晶体、例えば主面が所望の面方位を有する単結晶体が得られるという利点がある。
　チューブ状の単結晶体は、ダイ（金型）内のスリットを環状にして、当該環状スリットからチューブ状の形態で単結晶体を引き上げながら育成される。
　しかしながら、チューブ状単結晶体の育成では、ダイの内径側と外径側で温度差が生じやすい。そのため、チューブ状単結晶体の安定した育成が難しく、チューブ状単結晶体が曲がったり、膜厚が薄くなったりするなどの問題があった。
２０１６－４７７９２号公報
　本開示に係るチューブ状単結晶体の製造装置は、単結晶体の原料が充填される坩堝と、前記坩堝内の前記原料を溶融させる加熱手段と、前記坩堝内に配置され、坩堝内の溶融液を吸い上げる環状スリットを有し、上面に前記溶融液を保持したダイと、前記ダイ上面の前記溶融液に接触する種結晶が下端に取付けられ、前記溶融液から前記種結晶を引き上げながら単結晶体を育成する引き上げ手段と、を備える。前記ダイの上面は、前記環状スリットから内径側および外径側にそれぞれ環状スリットから離れるに従って高くなる上向きの斜面を含んでおり、内径側の斜面の最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面の最大高さ（Ｈ２）との差（Ｈ１－Ｈ２）が０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満である。
　本開示に係るチューブ状単結晶体の製造方法は、ＥＦＧ法によりチューブ状単結晶体を育成するものであって、前記単結晶体の原料を坩堝に充填し前記坩堝の外周を囲む高周波コイルにより前記坩堝内の前記原料を誘導加熱して溶融させ溶融液を得る工程と、前記坩堝内に配置されたダイに形成した環状スリットを経て前記溶融液を前記ダイの上面に供給・保持させ、この溶融液に種結晶を配置し前記種結晶を前記溶融液から垂直方向に引き上げながら前記溶融液を徐冷して前記チューブ状単結晶体を育成する工程と、を含む。前記ダイの上面は、前記環状スリットから内径側および外径側にそれぞれ環状スリットから離れるに従って高くなる上向きの斜面を含んでおり、かつ内径側の斜面の最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面の最大高さ（Ｈ２）との差（Ｈ１－Ｈ２）が０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満である。
本開示に係るＥＦＧ法を説明するための概略図である。 本開示の単結晶体の製造装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本開示に係るダイを使用してチューブ状単結晶体を育成する様子を示す概略断面図である。 通常のダイを使用してチューブ状単結晶体を育成する様子を示す概略断面図である。 （ａ）および（ｂ）は本開示における単結晶体の引き上げ方法を示す説明図である。
　ＥＦＧ法では、図１に概念的に示すように、坩堝１００内に、スリット（間隙）１０１を有するダイ（金型）１０２が設置されている。坩堝１００に充填した単結晶体１０５の原料を、坩堝１００の外周に配置した加熱コイル１０３により加熱溶融させる。得られた溶融液１０４は、スリット１０１内を毛細管現象によってダイ１０２の上面まで上昇する。この溶融液１０４の液面に、後述する種結晶６を接触させて、上方に引き上げることで単結晶体１０５が育成される。図１において、符号１０６は、溶融液１０４と単結晶体１０５との固液界面を示している。
　図２は、本開示の一実施形態に係るチューブ状単結晶体５の製造装置を示しており、特にチューブ状単結晶体５を育成している状態を示している。図２に示すように、単結晶体５の原料が供給される坩堝１は育成室１０内の下部に設置され、架台１１によって保持されている。育成室１０は円筒状の容器であり、例えばＭｏ、Ｗ、Ｗ－Ｍｏ合金、カーボン、ジルコニア（ＺｒＯ2）、アルミナ等の耐火物材料からなる。坩堝１は、モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ）、タングステンモリブテン合金（Ｗ－Ｍｏ）、イリジウム（Ｉｒ）等からなる。
　育成室１０は密閉構造となっており、図示しないガス供給口およびガス排出口が備わっている。酸化を防止するために、ガス供給口からアルゴンガス等の不活性ガスが育成室１０内に供給され、不活性ガス雰囲気下で単結晶体５の育成が行われる。
　育成室１０の外周には、坩堝１を囲むように加熱コイル３がらせん状に巻回される。加熱コイル３は、高周波電圧が印加されて高周波電流が流れる誘導コイルである。すなわち、加熱コイル３に高周波電流が流れると、坩堝１を中心に磁界が形成され、この磁界により坩堝１の表面に渦電流が発生して坩堝１が発熱する。
　坩堝１には、ダイ２が設置されている。ダイ２には、環状スリット１２が形成されている。ダイ２の上方には、種結晶（シード）６を下端に保持したシードホルダー７が設置されている。シードホルダー７は軸体からなり、図示しない制御手段により鉛直方向に昇降可能であり、かつ軸心の周りを回転可能に構成されている。種結晶６の形状には、特に制限はないが、例えば、板状、棒状または管状の形状を有する。
　坩堝１内に充填されている単結晶体５の原料は、加熱コイル３によって加熱溶融される。図３に示すように、得られた溶融液４は、毛細管現象によって環状スリット１２を通ってダイ２の上面まで上昇する。種結晶６の下端がダイ２上面の溶融液に接触し、上方２に一定速度で引き上げられ、単結晶体５が得られる。図３において、符号１４は溶融液４と単結晶体５との固液界面を示している。環状スリット１２の内径側と外径側は、図示していないが、溶融液４の上昇に支障をきたさないように、例えば、ダイ２の底部で部分的に連結されている。
　単結晶体５の原料として、例えばサファイア単結晶体５を製造する場合には、高純度アルミナ（Ａｌ2Ｏ3、純度９９．９％以上）が使用され、アルミナの融点（約２０５０℃）以上の温度で原料を加熱する。
　図４は、チューブ状単結晶体５を製造するための通常のダイ２０を示している。このダイ２０は環状スリット２２を有する。ダイ２０上面は、環状スリット２２から内径側および外径側にそれぞれ環状スリット２２から離れるに従って高くなる上向きの斜面２２ａ、２２ｂを含んでおり、かつ内径側の斜面２２ａと外径側の斜面２２ｂのそれぞれの最大高さＨ0は等しくなっている。図４のその他の部材は図３と同じであるので、同一符号を付して説明を省略する。図４において、符号１４´は固液界面を示している。
　このような通常のダイ２０では、特に径の大きいチューブ状単結晶体５の育成では、育成したチューブ状単結晶体５の内壁５ａに覆われてしまう内径側の温度が、外径側の温度よりも高くなる。そのため、ダイ２０の内径側と外径側で温度差が生じ、チューブ状単結晶体５の安定した育成が難しい。そのため、チューブ状単結晶体５が曲がったり、壁厚が薄くなったりするなどの不具合が発生しやすい。
　一方、図３に示す本実施形態に係るダイ２は、図４と同様に、環状スリット１２を有し、ダイ２上面は、通常のダイ２０と同様に、環状スリット１２から内径側および外径側にそれぞれ環状スリット１２から離れるに従って高くなる上向きの斜面２ａ、２ｂを含んでいる。内径側の斜面２ａの最大高さＨ１は外径側の斜面２ｂの最大高さＨ２よりも大きく形成されている。
　このように、ダイ２の内径側の斜面２ａの最大高さＨ１を外径側の斜面２ｂの最大高さＨ２よりも大きく形成することにより、内径側の斜面２ａ先端の温度が下がり、外径側の斜面２ｂ先端との温度差がなくなるか、ないしは小さくなる。これにより、安定したチューブ状単結晶体５を育成することができる。すなわち、チューブ状単結晶体５が曲がったり、壁厚が薄くなったりするのが抑制され、得られるチューブ状単結晶体５の厚み精度が向上する。
　内径側の斜面２ａの最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面２ｂの最大高さ（Ｈ２）の差（Ｈ１－Ｈ２）は０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満であるのがよく、上限は好ましくは５．０ｍｍ以下であるのがよい。
　チューブ状単結晶体５の内径Ｄは、０．４ｍｍ以上、５０ｍｍ以下であるのがよく、好ましくは２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であるのがよい。
　チューブ状単結晶体５の厚さｔは、０．２ｍｍ以上、２５ｍｍ以下であるのがよく、好ましくは０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下であるのがよい。チューブ状単結晶体５の厚さｔは、内径側の斜面２ａの最大高さ（Ｈ１）部位から外径側の斜面２ｂの最大高さ（Ｈ２）部位までの幅とほぼ等しい。
　図５（ａ）、（ｂ）は、環状スリット１２の一部を示す部分断面図である。本実施形態に係るチューブ状単結晶体５を製造するには、図５（ａ）に示すように、環状スリット１２を経て溶融液４をダイ２の上面に供給・保持させ、この溶融液４の少なくとも液面に種結晶６の先端６ａを配置し接触させる。この状態から、種結晶６を下端に保持したシードホルダー７を上昇させ、図５（ｂ）に示すように、種結晶６を溶融液４から垂直方向に一定速度で引き上げ徐冷しながらチューブ状単結晶体５を育成する。
　環状スリット１２によってダイ２の上面に供給された溶融液４は環状に保持されている。種結晶６は、板状ないし棒状に形成されている。図５（ａ）に示すように、種結晶６は、環状に保持された溶融液４の少なくとも１箇所に接触させ、その状態で種結晶６を上方に引き上げることにより、図５（ｂ）に示すように、チューブ状単結晶体５を得ることができる。図５（ｂ）は引き上げ直後の状態を示している。図５（ｂ）の状態から、種結晶６をさらに上方に引き上げると、図３に示すように、内径側の斜面２ａの最大高さ（Ｈ１）部位から外径側の斜面２ｂの最大高さ（Ｈ２）部位までの幅とほぼ等しい厚さｔを有するチューブ状単結晶体５が得られる。
　必要に応じて、板状ないし棒状の種結晶６を２箇所以上で、環状に保持された溶融液４に接触させ、同時に引き上げるようにしてもよい。さらに、種結晶６を溶融液４と同じ環状に形成し、全周にわたって溶融液４の液面に接触し、引き上げるようにしてもよい。
　坩堝１に対して、環状スリット１２を有するダイ２は１つだけでなく、複数のダイ２を設置してもよい。１つのダイ２に複数の環状スリット１２を並設してもよい。これらの場合、シードホルダー７の下端にそれぞれ対応する数の種結晶６を保持させ、同時に引き上げることにより、複数のチューブ状単結晶体５を同時に育成するようにすると、生産効率が向上する。
　ＥＦＧ法では、種結晶６の面方位（結晶方位）と同じ面方位をとって単結晶体５が成長する。そのため、種結晶６とダイ２の位置関係を精密に調整する必要があるが、本実施形態では、従来と同様にして調整可能である。
　本開示のチューブ状単結晶体の製造装置および製造方法によれば、ダイ２の上面は、前記環状スリット１２から内径側および外径側にそれぞれ環状スリット１２から離れるに従って高くなる上向きの斜面２ａ、２ｂを含んでおり、かつ内径側の斜面２ａの高さが外径側の斜面２ｂの高さよりも大きくなる所定範囲で構成されている。そのため、チューブ状単結晶体５を安定して育成することができ、チューブ状単結晶体５に曲がりや、厚み不良が生じるのを抑制することができる。そのため、本開示に係るチューブ状単結晶体５は、半導体製造装置 (ＳＰＥ)におけるプラズマ発生管や、熱電対等の保護管、分析装置におけるセンサー等の保護管や、試料等の容器として好適に使用することができる。
　本開示によれば、ダイ上面における環状スリットの内径側の斜面の最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面の最大高さ（Ｈ２）との差（Ｈ１－Ｈ２）が０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満であるため、内径側のダイ上面の温度が下がり、外径側のダイ上面との温度差がなくなるか、ないしは小さくなるため、チューブ状単結晶体の安定した育成が可能となり、チューブ状単結晶体に曲がりや、厚み不良が生じるのを抑制することができる。
　以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載の範囲内で、各種の改良および改善を行なってもよいことは勿論である。本開示の単結晶体の製造装置および製造方法は、サファイア単結晶体５に限定されるものではなく、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）、ルチル（ＴｉＯ2）などの単結晶体５の製造にも同様にして適用される。
　以下、実施例を挙げて本開示の単結晶体の製造装置および製造方法をより詳細に説明するが、本開示は以下の実施例のみに限定されるものではない。
　図２、図３に示す単結晶体の製造装置において、坩堝１内に配置するダイ２の上面の環状スリット１２から内径側の斜面２ａの最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面２ｂの最大高さ（Ｈ２）の差（Ｈ１－Ｈ２）が、チューブ状サファイア単結晶体の育成に及ぼす影響を調べた。すなわち、上記差（Ｈ１－Ｈ２）が０．１ｍｍから１０．０ｍｍまでの間でチューブ状サファイア単結晶体の育成状態を目視にて確認した。その結果を表１に示す。
　育成状態は以下の基準で評価した。
○：チューブ状単結晶体に曲がりや、厚み不良がない。
×：チューブ状単結晶体に曲がりまたは厚み不良のいずれかが確認された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　ダイ２の最大高さの差（Ｈ１－Ｈ２）が０ｍｍ、７．５ｍｍおよび１０．０ｍｍのいずれの場合も、チューブ状単結晶体の内径側と外径側の温度差が大きくなり、チューブ状単結晶体に曲がりや、厚み不良が発生していた。
　このとき、上記Ｈ１－Ｈ２が０ｍｍの場合、内径側の温度が適温で、外径側の温度がそれよりも低い場合は、外径側の温度に起因して曲がりが発生しやすく、逆に外径側の温度が適温で、内径側の温度がそれよりも高い場合は、内径側の温度に起因してチューブ状単結晶体の厚みが小さくなりやすくなると推測される。
　上記Ｈ１－Ｈ２が７．５ｍｍおよび１０．０ｍｍの場合、内径側の温度が外径側の温度よりも低くなるので、曲がりが発生すると推測される。さらに内径側の温度が低くなると、単結晶体がダイに固着し、ダイが持ち上げられるという不具合も観察された。
　１、１００　坩堝
　２、２０、１０２　ダイ
　３、１０３　加熱コイル
　４、１０４　溶融液
　５、１０５　単結晶体
　６　　種結晶
　７　　シードホルダー
　１０　育成室
　１１　架台
　１２、２２　環状スリット
　１４、１４´、１０６　固液界面
　１０１　スリット

Claims (6)

  1. 　単結晶体の原料が充填される坩堝と、
    　前記坩堝内の前記原料を溶融させる加熱手段と、
    　前記坩堝内に配置され、坩堝内の溶融液を吸い上げる環状スリットを有し、上面に前記溶融液を保持したダイと、
    　前記ダイ上面の前記溶融液に接触する種結晶が下端に取付けられ、前記溶融液から前記種結晶を引き上げながら単結晶体を育成する引き上げ手段と、を備え、
    　前記ダイの上面は、前記環状スリットから内径側および外径側にそれぞれ環状スリットから離れるに従って高くなる上向きの斜面を含んでおり、かつ内径側の斜面の最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面の最大高さ（Ｈ２）との差（Ｈ１－Ｈ２）が０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満である、ことを特徴とするチューブ状単結晶体の製造装置。
  2. 　前記単結晶体が、サファイア、シリコン、酸化ガリウムまたはルチルの単結晶体である請求項１に記載のチューブ状単結晶体の製造装置。
  3. 　エッジ‐デファインド・フィルムフェッド・グロース法によりチューブ状単結晶体を育成するチューブ状単結晶体の製造方法であって、
    　前記単結晶体の原料を坩堝に充填し、前記坩堝の外周を囲む高周波コイルにより前記坩堝内の前記原料を誘導加熱して溶融させ、溶融液を得る工程と、
    　前記坩堝内に配置されたダイに形成した環状スリットを経て前記溶融液を前記ダイの上面に供給・保持させ、この溶融液に種結晶を配置し、前記種結晶を前記溶融液から垂直方向に引き上げながら前記溶融液を徐冷して前記チューブ状単結晶体を育成する工程と、を含み、
    　前記ダイの上面は、前記環状スリットから内径側および外径側にそれぞれ環状スリットから離れるに従って高くなる上向きの斜面を含んでおり、かつ内径側の斜面の最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面の最大高さ（Ｈ２）との差（Ｈ１－Ｈ２）が０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満である、ことを特徴とするチューブ状単結晶体の製造方法。
  4. 　チューブ状単結晶体の内径が０．４～５０ｍｍである請求項３に記載のチューブ状単結晶体の製造方法。
  5. 　チューブ状単結晶体の厚さが０．２～２５ｍｍである請求項３または４に記載のチューブ状単結晶体の製造方法。
  6. 　板状または棒状の前記種結晶を前記溶融液の少なくとも１箇所に接触させ、上方に引き上げる請求項３～５のいずれかに記載のチューブ状単結晶体の製造方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112831832A (zh) * 2020-12-31 2021-05-25 杭州富加镓业科技有限公司 一种导模法生长氧化镓单晶的模具及生长方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230383432A1 (en) * 2022-05-25 2023-11-30 Luxium Solutions, Llc Enclosed crystal growth

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3915662A (en) * 1971-05-19 1975-10-28 Tyco Laboratories Inc Method of growing mono crystalline tubular bodies from the melt
US20090136731A1 (en) * 2007-10-23 2009-05-28 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Scintillator crystals and methods of forming
JP2016047792A (ja) 2014-08-28 2016-04-07 京セラ株式会社 単結晶育成装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3801309A (en) * 1971-11-08 1974-04-02 Tyco Laboratories Inc Production of eutectic bodies by unidirectional solidification
US4325917A (en) * 1977-07-21 1982-04-20 Pelts Boris B Method and apparatus for producing sapphire tubes
US4333757A (en) * 1980-03-21 1982-06-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture Mushroom-growing medium
US4334948A (en) * 1981-02-23 1982-06-15 Rca Corporation Method of and apparatus for growing crystal ribbon
US4711695A (en) * 1983-05-19 1987-12-08 Mobil Solar Energy Corporation Apparatus for and method of making crystalline bodies
CN1005780B (zh) 1985-04-29 1989-11-15 天津市硅酸盐研究所 生长杆状红宝石的方法及其装置
US7682452B2 (en) * 2007-04-09 2010-03-23 Sapphire Systems Inc. Apparatus and methods of growing void-free crystalline ceramic products
CN103710752A (zh) * 2014-01-07 2014-04-09 镇江和和蓝晶科技有限公司 用于导模法生长大直径管状蓝宝石的模具
CN104088011B (zh) 2014-07-15 2017-01-18 牛玥 一种蓝宝石微毛细管的制备方法及其使用的模具

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3915662A (en) * 1971-05-19 1975-10-28 Tyco Laboratories Inc Method of growing mono crystalline tubular bodies from the melt
US20090136731A1 (en) * 2007-10-23 2009-05-28 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Scintillator crystals and methods of forming
JP2016047792A (ja) 2014-08-28 2016-04-07 京セラ株式会社 単結晶育成装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3805436A4

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112831832A (zh) * 2020-12-31 2021-05-25 杭州富加镓业科技有限公司 一种导模法生长氧化镓单晶的模具及生长方法

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