JP2006131483A - 一方向凝固成長装置及び単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 坩堝材に対して濡れ性の悪い材料の作製を可能とし、形状制御した単結晶材料を安定して作製することを可能とし、さらに、高速育成をも可能とする一方向凝固成長装置およびその装置を用いて形状を制御した単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】 坩堝及び発熱体は、誘導加熱手段の出力調整により発熱量の調整を可能とすることによって坩堝底部に設けた一つ以上の細孔又はスリット状の開口部分から引き出される融液の固液境界相の加熱温度の制御し、該坩堝底部に水平に凸起した凸起平面に前記一つ以上の細孔又はスリット状の開口部分の出口側開口部を設ける一方向凝固成長装置であり、さらに、この一方向凝固成長装置を用いる単結晶の製造方法である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、一方向凝固により形状制御した単結晶を製造する一方向凝固成長装置およびその装置を用いて形状を制御した単結晶の製造方法に関する。

形状を制御した単結晶作製する従来の方法として、ＥＦＧ法が挙げられる。図１に概略図を示す。ＥＦＧ法は原料をダイが設置された坩堝に充填し、所望の雰囲気にて原料を溶融させた後に、毛細管現象を利用し、ダイの毛管を上ってきた溶融原料と上部軸に設置した種結晶を接触させ、所望の温度にて所望の引上げ速度にて引上げる方法である。この従来方法の場合には、原料とダイとの濡れ性が非常に重要となる。原料の毛細管現象を利用しているため、原料とダイの濡れ性が良好であることが、単結晶を作製する上で必要条件となり、濡れ性の悪い単結晶の作製は不可能であった。

さらに、図２に示す通り、従来法であるＥＦＧ法の場合には、「毛細管現象による溶融原料の上昇」と「原料の重力による溶融原料の降下」のバランスにより、結晶作製に伴いメニスカスの幅が大きく変化し、結晶作製における不安定要素を与えてしまう。また、従来法であるＥＦＧ法では、固液界面での温度勾配が比較的小さいために、単結晶の引き上げ速度を大きくするにはある限界が存在した。
本発明者らは、先に発明したシリコン単結晶等の製造を目的とした「マイクロ引下げ法」の発明（特許文献１）の装置および方法、あるいは共晶体繊維等も製造を目的とした「マイクロ引下げ法」の発明（特許文献２）の装置を開発した。

特開平８−２３１２９９号公報 特開平１１−２７８９９４号公報 応用物理ハンドブック 第２版、特殊な方法(Ｃｈａｐｔｅｒ ７．２．８ｃファイバー) 著者：吉川 彰、応用物理学会編、丸善株式会社出版（２００２）ｐ４２７〜４２８

しかしながら、これでもまだ、単結晶の形状制御は十分ではなかった。
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、本発明は、坩堝材に対して濡れ性の悪い材料の作製を可能とし、形状制御した単結晶材料を安定して作製することを可能とし、さらに、高速育成をも可能とする一方向凝固成長装置およびその装置を用いて形状を制御した単結晶の製造方法を提供することである。

そして、濡れ性の良し悪しに関わらず、形状を制御した単結晶の作製可能性について鋭意研究開発を進めた結果、坩堝材料および形状の工夫、育成速度の制御等により、一方向凝固成長プロセスによって、濡れ性の良し悪しに関わらず、形状を制御した単結晶を製造することに成功した。上記課題を解決する手段である本発明の特徴を以下に挙げる。
坩堝と、坩堝底部に設けた一つ以上の細孔又はスリット状の開口部分から流出する融液に接触させる種結晶を保持する種結晶保持具と、種結晶保持具を下方に移動させる移動機構と、該移動機構の移動速度制御装置と、坩堝を加熱する誘導加熱手段とを具備した一方向凝固成長装置において、該坩堝は、イリジウム金属、レニウム金属、モリブデン金属、タンタル金属、タングステン金属又はこれらの合金製坩堝であり、坩堝底部外周にイリジウム金属、レニウム金属、モリブデン金属、タンタル金属、タングステン金属又はこれらの合金からなる発熱体を配置し、坩堝及び発熱体は、誘導加熱手段の出力調整により発熱量の調整を可能とすることによって坩堝底部に設けた一つ以上の細孔又はスリット状の開口部分から引き出される融液の固液境界相の加熱温度の制御し、該坩堝底部に水平に凸起した凸起平面に前記一つ以上の細孔又はスリット状の開口部分の出口側開口部を設ける一方向凝固成長装置であり、さらに、この一方向凝固成長装置を用いる単結晶の製造方法である。

上記解決するための手段によって、本発明の一方向凝固成長装置及び単結晶の製造方法では、高速で形状を制御した単結晶の製造を可能とする。また、本発明では、坩堝として底部に短い長さの細孔を有する坩堝を用い、坩堝底部のメルト部の温度制御をアフターヒーターの使用により実現したものであり、簡易な装置構造により、低コストで大量生産できる。さらに、従来法では作製不可能であった坩堝材と濡れ性の悪い材料の作製をも可能とする等、大きな効果が得られた。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明における最良の形態の例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、まず、その原理について説明する。図３に本発明による単結晶作製方法の模式図を示す。従来法であるＥＦＧ法の場合（図１）には、毛細管現象を利用し溶融原料を上昇させていたため、ダイと濡れ性の悪い材料の場合には作製が困難であったことを先に示したが、本発明による単結晶作製方法の場合には、単結晶を引き下げるという方法であるために、溶融原料自体の重力により、所望の大きさの細孔あるいはスリット状の開口部分を有する事で、濡れ性の良し悪しに関わらす、所望の単結晶材料の作製を可能とする。

図４に本発明による単結晶作製方法におけるメニスカス幅の変化を示す。先に示した従来法であるＥＦＧ法におけるメニスカス幅変化（図２）に比較すると、その違いは明らかで、やはり溶融原料自体の重力により、本発明による単結晶作製方法の場合には、メニスカス幅の変化が小さくなる。これは結晶作製時の安定性が従来法に比較して高いことを意味し、このような安定した結晶作製方法を提供する。
また、本発明は、該単結晶を製造するための作製方法、すなわち、坩堝と、坩堝底部に設けた細孔から流出する融液に接触させる移動機構と、該移動機構の移動速度制御装置と、坩堝を加熱する誘導加熱手段とを具備した一方向凝固成長装置であって、該坩堝はイリジウム金属、レニウム金属、モリブデン金属、タンタル金属、タングステン金属、または、これらの合金製坩堝であり、坩堝底部外周にイリジウム金属、レニウム金属、モリブデン金属、タンタル金属、タングステン金属、または、これらの合金からなる発熱体であるアフターヒーターを配置し、該アフターヒーターは誘導加熱手段のパワー調整により発熱量の調整を可能とすることによって坩堝底部に設けた細孔から引き出される融液の固液境界相の加熱温度の制御を可能としたことを特徴とするサファイア単結晶の製造方法を提供する。

この製造方法において、当然ながら、種保持具を下方に移動させる移動機構の速度を制御することによりサファイア単結晶の成長速度を制御できるが、本発明では、坩堝底部に設けた細孔から流出した融液の固化部と細孔先端との間のメルト幅を観察し、その幅の変動に応じて、誘導加熱手段のパワーを調整することにより、アフターヒーターの発熱量を調整して、一方向凝固成長速度を高精度に制御することも可能とした。
さらに、本発明による単結晶作製方法では、坩堝自体で形状を制御する凸起平面を有するため、加熱領域を最小限に抑える事が可能となり、ホットゾーンの構成により、温度勾配は従来法であるＥＦＧ法に比較してはるかに大きくすることが可能となる。つまり、結晶の引下げ速度を従来法であるＥＦＧ法よりも大きくすることを可能とした。

図５は、本発明の一方向凝固成長装置の断面図である。本発明の装置は、本発明者らが先に説明したシリコン単結晶等の製造を目的とした細線状結晶製造装置（特開平８−２３１２９９号公報）を改良したものである。先の発明の装置は、坩堝と、種保持具と、前記坩堝および／又は種保持具が上下方向に可動ない移動機構と、坩堝を加熱する手段とを具備する細線状結晶製造装置において、前記坩堝および／又は種保持具の移動が、０．４ｍｍ／ｍｉｎ以上の速度で、その速度の設定値の１％以内の精度で行うことのできるようにしたものである。
本発明の装置では、所望の形状を作製するためのイリジウム金属、レニウム金属、モリブデン金属、タンタル金属、タングステン金属、または、これらの合金製坩堝１の底部側面部に、イリジウム金属、レニウム金属、モリブデン金属、タンタル金属、タングステン金属、または、これらの合金からなる発熱体であるアフターヒーター２を設置する。

図６は、細孔を有する坩堝の構造を示す図である。図６の坩堝に示す一つの細孔７を有する坩堝の場合は、該アフターヒーター２は、細孔７の鉛直線を中心線とする円筒状部材が好適である。
ここで、チューブ状、板状、角柱状、円柱状の単結晶作製用にはそれぞれ、例えば図７、８、９、１０に示す坩堝が使用できる。

本発明の装置を用いて、形状を制御した単結晶の一方向凝固成長を行う際には、まず図６に示すように所望の方位を有する種結晶を坩堝１の細孔７内の融液に接触させ、種９の引下げを開始する。一つあるいは複数の細孔、あるいはスリット状の開口部分７から出た融液は一方向凝固成長を開始し固液界面が形成される。そして、坩堝１の底部の細孔あるいは開口部分７の先端と融液の固化部との間には、図６に示すように坩堝１と細孔７の外に位置するメルトＭが形成される。メルトＭは、高さＨと幅Ｌを有しており、設定した引下げ速度で成長を行わせる際に、凝固成長速度が遅いと高さＨが小さくなり、成長速度が速いと高さＨが大きくなる。それを常に一定に保つためにパワーを制御する。どのように誘導加熱コイル６のパワーを制御するかは、実験データにより最適化の条件を設定できる。

坩堝底部の細孔あるいは開口部分の先端と融液の固化部との間のメルトＭを観察し、その変動に応じて、アフターヒーター２の発熱量を誘導加熱コイル６のパワーの増減により調整する。このため、細孔あるいは開口部分７の先端におけるメルトＭを石英チューブ５の外周よりＣＣＤカメラによって観察できるように、ヒートシールド４に覗き窓１２を設け、サファイアホルダ３、アフターヒーター２には開口を設ける。メルト幅と高さに応じてカウントされるピクセル数と誘導加熱コイル６のパワー調整の関係式を予め求めておき、実際の引下げにおいて、ＣＣＤカメラで得られるピクセルのカウント数の変動に基づき、高周波誘導加熱コイル６のパワーを増減してアフターヒーター２の発熱温度を調節する。このアフターヒーター２の発熱温度調整によりサファイア単結晶の一方向凝固成長速度のマクロな制御を行う。すなわち、細孔７の先端におけるメルトＭの高さＨが大きいときには温度を下げ、高さＨが小さいときは温度を上げる事によりサファイア単結晶の凝固成長速度のマクロな制御を行うことができる。また、結晶性のミクロな制御は結晶径の観察に基づく移動機構の速度制御による引下げ速度の微調整によって行う。

図１１（本発明者らによる非特許文献１を参照のこと。）は、本発明によるサファイア単結晶作製の概略を示す図である。μ−ＰＤ法では坩堝下端を形状制御用ダイとする。溶融液はＥＦＧ法と同様、毛細管現象により坩堝下端へ運ばれる。ここに種結晶をつけてネッキングし、固液界面を形成して引き下げ育成する。結晶径Ｒはメニスカスの高さｈ_Ｍとの間に，式２の関係式を持つ。

（実施例１）
原料は、Ａｌ_２Ｏ_３（９９．９９９％）酸化物粉末を数十グラム仕込み、図７（ａ）に示す坩堝およびアフターヒーターにはイリジウム金属を用い、それをセラミックスの保温材で覆い、誘導加熱コイルのパワーを上昇させ、溶解温度２０５０℃で溶解した。アルゴンガス流雰囲気にてサファイア種結晶を用い、設定引下げ速度を１０ｍｍ／ｍｉｎまでとし一方向凝固成長させた。坩堝細孔径は４００μｍとした。アフターヒーターは円筒状とし、坩堝にはチューブ状の凸起平面が具備されていた。図１２は、得られたチューブ状単結晶を示した写真である。

（実施例２）
原料は、Ａｌ_２Ｏ_３（９９．９９９％）酸化物粉末を数十グラム仕込み、図８に示す坩堝およびアフターヒーターにはイリジウム金属を用い、それをセラミックスの保温材で覆い、誘導加熱コイルのパワーを上昇させ、溶解温度２０５０℃で溶解した。アルゴンガス流雰囲気にてサファイア種結晶を用い、設定引下げ速度を１０ｍｍ／ｍｉｎまでとし一方向凝固成長させた。坩堝スリットは幅３００μｍとした。アフターヒーターは円筒状とし、坩堝には板状の凸起平面がが具備されていた。図１３は、得られた板状単結晶を示した写真である。

（実施例３）
原料は、Ｙ_２Ｏ_３（９９．９９％）およびＡｌ_２Ｏ_３（９９．９９９％）酸化物粉末を所定の混合比で混合後、数十グラム仕込み、図９に示す坩堝およびアフターヒーターにはイリジウム金属を用い、それをセラミックスの保温材で覆い、誘導加熱コイルのパワーを上昇させ、溶解温度１９５０℃で溶解した。アルゴンガス流雰囲気にてＹＡＧ種結晶を用い、設定引下げ速度を２０ｍｍ／ｍｉｎまでとし一方向凝固成長させた。坩堝細孔径は４００μｍとした。アフターヒーターは円筒状とし、坩堝には板状の凸起平面が具備されていた。図１４は、得られた角柱状単結晶を示した写真である

（実施例４）
原料は、Ｙ_２Ｏ_３（９９．９９％）Ａｌ_２Ｏ_３（９９．９９９％）酸化物粉末を所定の混合比で混合後、数十グラム仕込み、図１０に示す坩堝およびアフターヒーターにはイリジウム金属を用い、それをセラミックスの保温材で覆い、誘導加熱コイルのパワーを上昇させ、溶解温度１９５０℃で溶解した。アルゴンガス流雰囲気にてＹＡＧ種結晶を用い、設定引下げ速度を２０ｍｍ／ｍｉｎまでとし一方向凝固成長させた。坩堝細孔径は４００μｍとした。アフターヒーターは円筒状とし、坩堝には板状の凸起平面が具備されていた。図１５は、得られた円柱状単結晶を示した写真である。

ＥＦＧ法の概略を示す図である ＥＦＧ法の単結晶の作製状態を模式的に示す図である。 本発明による単結晶作製状態を模式的に示す図である。 本発明による単結晶作製方法におけるメニスカス幅の変化を示す図である。 本発明の一方向凝固成長装置の断面図である。 細孔を有する坩堝の構造を示す図である。 チューブ状の単結晶作製用の坩堝の構造を示す図である。 チューブ状の単結晶作製用の坩堝の構造を示す図である。 チューブ状の単結晶作製用の坩堝の構造を示す図である。 チューブ状の単結晶作製用の坩堝の構造を示す図である。 板状の単結晶作製用の坩堝の構造を示す図である。 板状の単結晶作製用の坩堝の構造を示す図である。 角柱状の単結晶作製用の坩堝の構造を示す図である。 円柱状の単結晶作製用の坩堝の構造を示す図である。 本発明によるサファイア単結晶作製の概略を示す図である。 得られたチューブ状単結晶を示した写真である。 得られた板状単結晶を示した写真である。 得られた角柱状単結晶を示した写真である。 得られた円柱状単結晶を示した写真である。

符号の説明

１ 合金製坩堝
２ アフターヒーター
３ サファイアホルダ
４ ヒートシールド
５ 石英チューブ
６ 誘導加熱コイル
７ 細孔又は開口部分
９ 種
１２ 覗き窓

Claims (16)

1. 坩堝と、
   坩堝底部に設けた一つ以上の細孔又はスリット状の開口部分から流出する融液に接触させる種結晶を保持する種結晶保持具と、
   種結晶保持具を下方に移動させる移動機構と、
   該移動機構の移動速度制御装置と、
   坩堝を加熱する誘導加熱手段とを具備した一方向凝固成長装置において、
   該坩堝は、イリジウム金属、レニウム金属、モリブデン金属、タンタル金属、タングステン金属又はこれらの合金製坩堝であり、
   坩堝底部外周にイリジウム金属、レニウム金属、モリブデン金属、タンタル金属、タングステン金属又はこれらの合金からなる発熱体を配置し、
   坩堝及び発熱体は、誘導加熱手段の出力調整により発熱量の調整を可能とすることによって坩堝底部に設けた一つ以上の細孔又はスリット状の開口部分から引き出される融液の固液境界相の加熱温度の制御し、
   該坩堝底部に水平に凸起した凸起平面に前記一つ以上の細孔又はスリット状の開口部分の出口側開口部を設ける
   ことを特徴とする一方向凝固成長装置。
2. 前記坩堝底部は、凸起平面の周端部がリング形であり、該凸起平面部分に細孔が１個又は複数有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の一方向凝固成長装置。
3. 前記坩堝底部は、凸起平面中央部にリング状の溝を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の一方向凝固成長装置。
4. 前記坩堝部は、外周形成用パーツと内径形成用パーツとそれらの保持具よりなり、外周形成用パーツと内径形成用パーツとの間に溝を有する
   ことを特徴と請求項１に記載の一方向凝固成長装置。
5. 前記凸起平面の周端部はスリット状であり、該凸起平面部分に細孔が１個以上又はスリット状の開口部分が存在し、
   該凸起平面部分の中心部の凹形に、投入原料との濡れ性との兼ね合いで決定される円弧状の形状を有する
   ことを特徴と請求項１に記載の一方向凝固成長装置。
6. 前記該凸起平面部分の中心部の凹形は、単結晶作製中の固液界面の形状を水平にする円弧状の形状を有する
   ことを特徴と請求項１又は５に記載の一方向凝固成長装置。
7. 前記合金製坩堝の周端部は、角柱形である
   ことを特徴と請求項１記載の一方向凝固成長装置。
8. 前記合金製坩堝の周端部は、円柱形である
   ことを特徴と請求項１記載の一方向凝固成長装置。
9. 前記一方向凝固成長装置は、式１で表記される実行偏析係数ｋ_ｅｆｆがほぼ１を満たすように、前記細孔の径と長さを設定する
   ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の一方向凝固成長装置。
10. 坩堝と、
    坩堝底部に設けた一つ以上の細孔又はスリット状の開口部分から流出する融液に接触させる種結晶を保持する種結晶保持具と、
    種結晶保持具を下方に移動させる移動機構と、
    該移動機構の移動速度制御装置と、
    坩堝を加熱する誘導加熱手段とを具備した一方向凝固成長装置において、
    該坩堝は、イリジウム金属、レニウム金属、モリブデン金属、タンタル金属、タングステン金属又はこれらの合金製坩堝であり、
    坩堝底部外周にイリジウム金属、レニウム金属、モリブデン金属、タンタル金属、タングステン金属又はこれらの合金からなる発熱体を配置し、
    坩堝及び発熱体は、誘導加熱手段の出力調整により発熱量の調整を可能とすることによって坩堝底部に設けた一つ以上の細孔又はスリット状の開口部分から引き出される融液の固液境界相の加熱温度の制御し、
    該坩堝底部に水平に凸起した凸起平面に前記一つ以上の細孔又はスリット状の開口部分の出口側開口部を設ける一方向凝固成長装置を用いて単結晶を製造する
    ことを特徴とする単結晶の製造方法。
11. 前記単結晶の製造方法は、請求項２又は３に記載の一方向凝固成長装置を用いて、チューブ状の単結晶を製造する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の単結晶の製造方法。
12. 前記単結晶の製造方法は、請求項４に記載の一方向凝固成長装置を用いて、チューブ状の単結晶を製造する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の単結晶の製造方法。
13. 前記単結晶の製造方法は、請求項５又は６に記載の一方向凝固成長装置を用いて、板状の単結晶を製造する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の単結晶の製造方法。
14. 前記単結晶の製造方法は、請求項７に記載の一方向凝固成長装置を用いて、角柱状の単結晶を製造する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の単結晶の製造方法。
15. 前記単結晶の製造方法は、請求項２又は３に記載の一方向凝固成長装置を用いて、円柱状の単結晶を製造する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の単結晶の製造方法。
16. 前記単結晶の製造方法は、式１で表記される実行偏析係数ｋ_ｅｆｆがほぼ１を満たすように、前記細孔の径と長さを設定して単結晶を製造する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の単結晶の製造方法。