JP2018193277A - Crystal growth apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、結晶育成装置に関する。 The present invention relates to a crystal growth apparatus.
単結晶の製造方法としては、原料を充填したルツボを加熱溶融した後に、原料融液表面から種結晶を接触させ、種結晶を上昇させながら結晶育成を行うチョクラルスキー法が広く普及している。 As a method for producing a single crystal, the Czochralski method is widely used in which a crucible filled with a raw material is heated and melted, then a seed crystal is brought into contact with the surface of the raw material melt, and the crystal is grown while raising the seed crystal. .
チョクラルスキー法による結晶育成において、ルツボを加熱する手段として、高周波誘導加熱方式と抵抗加熱方式が用いられている。加熱方式は、育成する結晶の融点や結晶育成を行う雰囲気などを考慮して選択される。 In crystal growth by the Czochralski method, a high-frequency induction heating method and a resistance heating method are used as means for heating the crucible. The heating method is selected in consideration of the melting point of the crystal to be grown and the atmosphere in which the crystal is grown.
育成される酸化物単結晶は高融点であり、原料融液の分解を抑制するため酸化雰囲気で育成する必要がある場合、適切な抵抗加熱発熱体が無い事から、高周波誘導加熱方式が用いられることが多い。 The oxide single crystal to be grown has a high melting point, and when it is necessary to grow in an oxidizing atmosphere to suppress decomposition of the raw material melt, a high-frequency induction heating method is used because there is no suitable resistance heating element. There are many cases.
高周波誘導加熱方式では、ルツボの周囲に誘導コイルを配置し、誘導コイルに高周波電流を供給する。誘導コイルに高周波電流を流すことによってルツボに渦電流が生じ、これによってルツボが発熱してルツボ内の原料が溶融する。 In the high frequency induction heating method, an induction coil is arranged around the crucible, and a high frequency current is supplied to the induction coil. By passing a high frequency current through the induction coil, an eddy current is generated in the crucible, whereby the crucible generates heat and the raw material in the crucible melts.
原料融液表面に種結晶を接触させ、種結晶を上昇させながら結晶成長を行うと、結晶育成に伴い、育成結晶上部は発熱するルツボから離れる。また、結晶内部の熱が引き上げ軸を伝わって逃げるため結晶上部が冷却される。そのため、発熱体がルツボのみである場合には、成長中の結晶内の温度差が大きくなり、結晶内の温度差に起因した熱応力が発生する。そして、結晶内部に熱応力に起因したクラックや結晶欠陥が発生する。よって、結晶内の熱応力低減のため、ルツボ上部(成長中の単結晶)を保温する工夫がなされている。 When the seed crystal is brought into contact with the surface of the raw material melt and crystal growth is performed while raising the seed crystal, the upper part of the grown crystal is separated from the heat generating crucible as the crystal grows. Further, since the heat inside the crystal escapes along the pulling shaft, the upper part of the crystal is cooled. Therefore, when the heating element is only the crucible, the temperature difference in the growing crystal becomes large, and thermal stress due to the temperature difference in the crystal is generated. Then, cracks and crystal defects due to thermal stress are generated inside the crystal. Therefore, in order to reduce the thermal stress in the crystal, an effort has been made to keep the upper portion of the crucible (the growing single crystal) warm.
例えば、特許文献1には、結晶内の温度差に起因した熱応力によるクラックを抑制するため、ルツボの上部に、ルツボ以外の発熱体である円筒状のアフター・ヒーターを配置する酸化物単結晶の製造方法が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses an oxide single crystal in which a cylindrical after heater, which is a heating element other than a crucible, is arranged above a crucible in order to suppress cracking due to thermal stress caused by a temperature difference in the crystal. A manufacturing method is disclosed.
また、特許文献2には、ドーナツ状のリフレクタを配置することでルツボ上部を保温する酸化物単結晶の製造方法が開示されている。 Patent Document 2 discloses a method for producing an oxide single crystal that keeps the upper part of the crucible by arranging a doughnut-shaped reflector.
ところで、近年、酸化物単結晶、特にタンタル酸リチウムは表面弾性波デバイス材料として市場が拡大しており、生産量の確保のため単結晶を長くすることが求められている。しかしながら、結晶の長尺化に伴い、結晶の曲がりや直胴部で発生する多結晶化、あるいは、冷却中の熱歪に起因したクラック、ルツボ底の原料固化などが発生し易くなっており、結晶の良品率を低下させる原因となっている。これらの良品率低下は、結晶育成時の炉内の温度分布に起因している。 By the way, in recent years, the market for oxide single crystals, particularly lithium tantalate, is expanding as a surface acoustic wave device material, and it is required to lengthen the single crystals in order to secure production. However, along with the lengthening of the crystal, polycrystallization that occurs in the bending and straight body of the crystal, or cracks due to thermal strain during cooling, solidification of the raw material of the crucible bottom, etc. are likely to occur. This is a cause of lowering the yield rate of crystals. These reductions in the yield rate are attributed to the temperature distribution in the furnace during crystal growth.
このため、特許文献3には、ルツボの周囲に配置する第1の誘導コイルと、アフター・ヒーターの周囲に配置する第2の誘導体とを配置し、それぞれの誘導体に個別の高周波電源を用意し、供給する高周波電流が互いに逆相になるように設定した結晶育成装置が開示されている。特許文献3に記載の結晶育成装置では、アフター・ヒーターを個別に加熱することができるため、適正な温度分布を設定することが可能となる。しかしながら、電源設備が2つ必要で設備コストが高く、設置場所も広く必要となる。また、第1の高周波電流と第2の高周波電流との位相を逆にして、第1の高周波電流に起因する磁界と第2の高周波電流に起因する磁界を適切に制御する必要があり、技術的に高度な制御が必要となる。以上の理由により、特許文献3に記載の結晶育成装置は、複雑で高性能な設備が必要となり、高コストとなってしまうという問題があった。 Therefore, in Patent Document 3, a first induction coil arranged around the crucible and a second derivative arranged around the after heater are arranged, and individual high frequency power supplies are prepared for the respective derivatives. A crystal growth apparatus is disclosed in which high-frequency currents to be supplied are set to have opposite phases. In the crystal growth apparatus described in Patent Document 3, the after-heater can be individually heated, so that an appropriate temperature distribution can be set. However, two power supply facilities are required, the equipment cost is high, and a wide installation location is required. Further, it is necessary to appropriately control the magnetic field caused by the first high-frequency current and the magnetic field caused by the second high-frequency current by reversing the phases of the first high-frequency current and the second high-frequency current. Sophisticated control is required. For the reasons described above, the crystal growing apparatus described in Patent Document 3 has a problem that it requires complicated and high-performance equipment, resulting in high costs.
そこで、本発明は、上記事情に鑑み、低コストで良品率が高く、育成結晶の長尺化に対応できる結晶育成装置を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a crystal growth apparatus that is low in cost, has a high yield rate, and can cope with an increase in the length of a grown crystal.
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る結晶育成装置は、原料融液を保持可能な円筒形状の側面を有する金属製のルツボと、
該ルツボの周縁部を覆うように上端に配置された金属製円環状のリフレクタと、
該リフレクタ上に設けられた金属製円筒状のアフター・ヒーターと、
前記ルツボの周囲に配置された下部コイル部と、該下部コイル部と離間して該下部コイル部よりも上方に配置された上部コイル部と、該上部コイル部と前記下部コイル部との間に設けられ、前記上部コイル部と前記下部コイル部とを接続する粗巻コイル部と、を有する加熱用の誘導コイルと、を有する。
In order to achieve the above object, a crystal growth apparatus according to one embodiment of the present invention includes a metal crucible having a cylindrical side surface capable of holding a raw material melt,
A metal annular reflector disposed at the upper end so as to cover the periphery of the crucible;
A metal cylindrical after-heater provided on the reflector;
A lower coil portion disposed around the crucible, an upper coil portion spaced apart from the lower coil portion and disposed above the lower coil portion, and between the upper coil portion and the lower coil portion And a heating induction coil having a coarsely wound coil portion that connects the upper coil portion and the lower coil portion.
本発明によれば、低コストで良品率が高い、育成結晶の長尺化に対応できる結晶育成装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the crystal growth apparatus which can respond to the lengthening of the growth crystal | crystallization which is low-cost and has a high yield rate can be provided.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明の実施形態に係るチョクラルスキー式結晶育成装置は、酸化雰囲気または不活性ガス雰囲気中で育成されるニオブ酸リチウムLiNbO3(以下LN)、タンタル酸リチウムLiTaO3(以下LT)、イットリウムアルミニウムガーネットY3Al5O12(以下YAG)などの酸化物単結晶の製造に用いられる結晶育成装置である。チョクラルスキー法は、ある結晶方位に従って切り出された種結晶と呼ばれる単結晶の先端を、原料融液に接触させ、回転しながら徐々に引上げることによって、種結晶の性質を伝播しながら大口径化して単結晶を製造する方法である。 A Czochralski crystal growth apparatus according to an embodiment of the present invention includes lithium niobate LiNbO 3 (hereinafter LN), lithium tantalate LiTaO 3 (hereinafter LT), and yttrium aluminum grown in an oxidizing atmosphere or an inert gas atmosphere. This is a crystal growth apparatus used for manufacturing an oxide single crystal such as garnet Y 3 Al 5 O 12 (hereinafter referred to as YAG). In the Czochralski method, the tip of a single crystal called a seed crystal cut out according to a certain crystal orientation is brought into contact with the raw material melt and gradually pulled up while rotating, thereby propagating the properties of the seed crystal with a large diameter. This is a method for producing a single crystal.
図1は、本発明の実施形態に係る結晶育成装置の一例を示した構成概要図である。図1に示されるように、本実施形態に係る結晶育成装置は、ルツボ10と、リフレクタ20と、アフター・ヒーター30と、ルツボ台40と、引き上げ軸50と、誘導コイル60と、耐火物70と、断熱材80と、チャンバー90とを備える。なお、加熱手段は、ルツボ10とアフター・ヒーター30とを加熱する誘導コイル60である。なお、リフレクタ20もルツボ10、アフター・ヒーターに比べると発熱量は小さいが加熱する。また、誘導コイル60に高周波電力を供給するために電源100が設けられている。なお、単結晶の製造を行う際には、ルツボ10内には原料融液110が貯留保持され、引き上げ軸50の下端には、種結晶120が保持される。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a crystal growth apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the crystal growing apparatus according to the present embodiment includes a crucible 10, a reflector 20, an after heater 30, a crucible base 40, a lifting shaft 50, an induction coil 60, and a refractory 70. And a heat insulating material 80 and a chamber 90. The heating means is an induction coil 60 that heats the crucible 10 and the after heater 30. The reflector 20 is also heated although its calorific value is smaller than that of the crucible 10 and after heater. A power source 100 is provided to supply high frequency power to the induction coil 60. When the single crystal is manufactured, the raw material melt 110 is stored and held in the crucible 10, and the seed crystal 120 is held at the lower end of the pulling shaft 50.
ルツボ10は、原料融液110を貯留保持するための容器であり、円筒形状の側面と、円形の底面を有する。ルツボ10は、金属材料で構成される。ルツボ10は、種々の金属材料で構成されてよいが、例えば、耐熱性に優れたイリジウムや白金で構成されてもよい。 The crucible 10 is a container for storing and holding the raw material melt 110 and has a cylindrical side surface and a circular bottom surface. The crucible 10 is made of a metal material. Although the crucible 10 may be comprised with various metal materials, for example, it may be comprised with iridium and platinum excellent in heat resistance.
リフレクタ20は、加熱されたルツボ10内の熱を反射してルツボ10内に戻すための熱反射手段であり、ルツボ10の側面の上端の周縁部を覆うように、ルツボ10の側面の上端に設けられる。よって、リフレクタ20は、円環形状を有する。リフレクタ20も、金属材料から構成される。リフレクタ20も、種々の金属材料から構成されてよいが、例えば、ルツボ10と同様に、耐熱性に優れたイリジウム、白金等で構成されてもよい。 The reflector 20 is heat reflection means for reflecting the heat in the heated crucible 10 and returning it to the crucible 10. The reflector 20 is provided at the upper end of the side surface of the crucible 10 so as to cover the peripheral edge of the upper end of the side surface of the crucible 10. Provided. Therefore, the reflector 20 has an annular shape. The reflector 20 is also made of a metal material. The reflector 20 may be made of various metal materials, but may be made of iridium, platinum or the like having excellent heat resistance, for example, like the crucible 10.
アフター・ヒーター30は、ルツボ10から引き上げられた単結晶を加熱するための加熱手段である。アフター・ヒーター30は、リフレクタ20上に設けられ、円筒形状を有する。アフター・ヒーター30も、金属材料から構成される。アフター・ヒーター30も、種々の金属材料から構成されてよいが、例えば、ルツボ10と同様に、耐熱性に優れたイリジウム、白金等で構成されてもよい。 The after heater 30 is a heating means for heating the single crystal pulled up from the crucible 10. The after heater 30 is provided on the reflector 20 and has a cylindrical shape. The after heater 30 is also made of a metal material. The after-heater 30 may be made of various metal materials, but may be made of iridium, platinum or the like having excellent heat resistance, as with the crucible 10, for example.
ルツボ台40は、ルツボ10を支持するための支持台であり、ルツボ10の下方に配置される。 The crucible base 40 is a support base for supporting the crucible 10 and is disposed below the crucible 10.
引き上げ軸50は、下端に種結晶120を保持し、ルツボ10に保持された原料融液110に種結晶120を接触させ、単結晶の引き上げを行うための単結晶引き上げ手段である。引き上げ軸50は、図示しないモータ等に接続され、回転しながら単結晶を引き上げ可能に構成される。 The pulling shaft 50 is a single crystal pulling means for pulling the single crystal by holding the seed crystal 120 at the lower end and bringing the seed crystal 120 into contact with the raw material melt 110 held by the crucible 10. The pulling shaft 50 is connected to a motor or the like (not shown) and configured to be able to pull up the single crystal while rotating.
耐火物70の側面の外側には、誘導コイル60が配置されている。誘導コイル60は、上部コイル部61と、下部コイル部62と、粗巻コイル部63とを有する。ルツボの水平方向の周囲を下部コイル部62が取り囲んでいる。また、アフター・ヒーター30の上部を上部コイル部61が取り囲んでいる。更に、上部コイル部61と下部コイル部62との間に、両者を接続する粗巻コイル部63が設けられている。 An induction coil 60 is disposed outside the side surface of the refractory 70. The induction coil 60 has an upper coil part 61, a lower coil part 62, and a coarsely wound coil part 63. A lower coil portion 62 surrounds the periphery of the crucible in the horizontal direction. An upper coil portion 61 surrounds the upper portion of the after heater 30. Furthermore, between the upper coil portion 61 and the lower coil portion 62, a coarsely wound coil portion 63 that connects them is provided.
耐火物70は、ルツボ10及びアフター・ヒーター30のホットゾーンを外側から覆うための手段である。 The refractory 70 is a means for covering the hot zone of the crucible 10 and the after heater 30 from the outside.
断熱材80は、ルツボ10の周囲を覆い、熱が外部に放出されるのを抑制するための手段である。 The heat insulating material 80 is a means for covering the periphery of the crucible 10 and suppressing the release of heat to the outside.
チャンバー90は、ルツボ10、アフター・ヒーター30、誘導コイル60、耐火物70、ルツボ台40等を含めた全体を覆うための手段であり、結晶育成雰囲気の保持や熱が外部に漏れるのを抑制する役割を果たす。 The chamber 90 is a means for covering the whole including the crucible 10, the after heater 30, the induction coil 60, the refractory 70, the crucible base 40, and the like, and maintains the crystal growth atmosphere and prevents heat from leaking to the outside. To play a role.
電源100は、誘導コイル60に高周波電力を供給し、高周波誘導加熱を行うための電力供給源である。 The power source 100 is a power supply source for supplying high frequency power to the induction coil 60 and performing high frequency induction heating.
単結晶の製造では、単結晶原料を充填したルツボ10を高周波誘導加熱により加熱させ、原料融液110を得る。その後、引上げ軸50に連結された種結晶120を原料融液表面に接触させ、単結晶の製造を行う。結晶育成方法は特に限定されず、公知の技術が利用できる。 In the manufacture of the single crystal, the crucible 10 filled with the single crystal raw material is heated by high frequency induction heating to obtain the raw material melt 110. Thereafter, the seed crystal 120 connected to the pulling shaft 50 is brought into contact with the surface of the raw material melt to produce a single crystal. The crystal growth method is not particularly limited, and a known technique can be used.
ここで、育成結晶を長尺化する場合に種々の問題が発生する。そのような問題としては、育成結晶が曲がる現象や多結晶化による割れ、冷却時の割れがある。 Here, various problems occur when the grown crystal is lengthened. As such problems, there are a phenomenon in which the grown crystal is bent, cracks due to polycrystallization, and cracks during cooling.
育成結晶が曲がる現象は、結晶内部の排熱(温度差)が小さいことが原因の一つとして考えられる。結晶育成中の成長部では、融液から固体への相変化に伴う固化潜熱が発生する。結晶成長に悪影響を及ぼさないためには、この固化潜熱を迅速かつ確実に逃がすことが重要となる。固化潜熱は、育成結晶中を伝わり排熱される。炉内の温度分布が非対称である場合に排熱量が多い部分で結晶育成が促進され、結晶形状の曲がりやねじれが発生すると考えられる。育成結晶を長尺化した場合には、結晶化に伴う原料融液面の低下量が多くなりルツボ側面の露出量が多くなる。発熱体であるルツボ10が露出することで、育成結晶側面から加熱され結晶内の温度差が小さくなり、曲がり現象が顕著になる。 One possible cause of the bending of the grown crystal is that the exhaust heat (temperature difference) inside the crystal is small. In the growing part during crystal growth, solidification latent heat is generated due to the phase change from the melt to the solid. In order not to adversely affect the crystal growth, it is important to quickly and surely release the latent heat of solidification. The latent heat of solidification is transferred through the grown crystal and exhausted. It is considered that when the temperature distribution in the furnace is asymmetric, crystal growth is promoted in a portion where the amount of exhaust heat is large, and the crystal shape is bent or twisted. When the growth crystal is lengthened, the amount of decrease in the raw material melt surface accompanying crystallization increases and the amount of exposure on the side surface of the crucible increases. When the crucible 10 that is a heating element is exposed, the temperature difference in the crystal is reduced by heating from the side surface of the grown crystal, and the bending phenomenon becomes remarkable.
曲がり現象を抑制するためには、結晶内(育成炉内)の温度勾配を大きくすることが有効であると考えられる。育成炉内の温度勾配を大きくすることで、原料融液110内の自然対流も促進され、曲がり現象の抑制効果も得られると考えられる。 In order to suppress the bending phenomenon, it is considered effective to increase the temperature gradient in the crystal (in the growth furnace). By increasing the temperature gradient in the growth furnace, it is considered that natural convection in the raw material melt 110 is also promoted and an effect of suppressing the bending phenomenon can be obtained.
一方、多結晶化や冷却時の割れを抑制するためには、結晶内(育成炉内)の温度勾配を小さくすることが有効であると考えられる。結晶内の温度差に起因した応力が結晶にかかることで、転位の導入と集積により多結晶化が発生すると考えられる。同様に結晶を冷却する過程において、結晶内(育成炉内)の温度差に起因したひずみが発生する。そのため、温度差を小さくすることが、冷却中の割れを抑制するために有効であると考えられる。 On the other hand, in order to suppress polycrystallization and cracking during cooling, it is considered effective to reduce the temperature gradient in the crystal (in the growth furnace). It is considered that polycrystallization occurs due to the introduction and accumulation of dislocations due to the stress caused by the temperature difference in the crystal being applied to the crystal. Similarly, in the process of cooling the crystal, strain is generated due to the temperature difference within the crystal (in the growth furnace). Therefore, it is considered that reducing the temperature difference is effective for suppressing cracking during cooling.
このように、結晶の長尺化のために、結晶内(育成炉内)の温度勾配について相反する課題が生じる。これらの課題を解決するために、誘導コイル形状により最適な温度勾配を形成することが必要となる。 As described above, the problem of conflicting temperature gradients in the crystal (in the growth furnace) arises due to the lengthening of the crystal. In order to solve these problems, it is necessary to form an optimum temperature gradient by the shape of the induction coil.
従来から用いられている誘導コイルでは、ルツボ、リフレクタやアフター・ヒーターが均等、又は一方に偏った発熱分布となる。結晶の長尺化を行う上で、均等に発熱した場合には、温度勾配が小さすぎる。また、偏った発熱分布では、逆に温度勾配が大きすぎる。 In the induction coil conventionally used, the crucible, the reflector, and the after heater have a heat generation distribution that is uniform or biased to one side. The temperature gradient is too small when heat is generated evenly when the crystal is elongated. On the other hand, in the uneven heat generation distribution, the temperature gradient is too large.
そこで、結晶の長尺化を行うために、本実施形態においては、誘導コイル60の構成を大幅に工夫した。多結晶化や冷却時の割れ発生は、種結晶120に連結されたシード軸からの放熱により結晶上部の冷却が促進され、結晶上下方向の温度差により発生すると考えられる。 Therefore, in order to lengthen the crystal, in this embodiment, the configuration of the induction coil 60 has been greatly devised. It is considered that the occurrence of cracking during polycrystallization or cooling is caused by the temperature difference in the vertical direction of the crystal because the cooling of the upper part of the crystal is promoted by heat radiation from the seed shaft connected to the seed crystal 120.
また、リフレクタ20の発熱により、リフレクタ近傍の育成中の結晶外周部は加熱される。一方で、結晶中心部はシード軸からの放熱により温度が低下する。そのため、リフレクタ近傍では結晶径方向の温度差に起因した応力が発生し、多結晶化が発生すると考えられる。 Moreover, the crystal | crystallization outer peripheral part under the growth of the reflector vicinity is heated by the heat_generation | fever of the reflector 20. FIG. On the other hand, the temperature of the crystal central portion decreases due to heat radiation from the seed shaft. Therefore, it is considered that stress due to the temperature difference in the crystal diameter direction occurs in the vicinity of the reflector and polycrystallization occurs.
図2は、金属製のリフレクタ20を備えた結晶育成装置を用いた場合に、育成中の結晶内の温度分布を計算したシミュレーション結果である。この時、誘電コイルはルツボからアフター・ヒーターの上端まで均等に配置している。図2において、温度の高い順に、領域A、B、Cが示されている。図2に示されるように、リフレクタ20の下方は、最も温度の高い領域である領域Aとなっている。そして、その下方は、順に温度が低下し、領域B、領域Cとなっている。この場合、リフレクタ20の下方の近傍の領域が領域Aとなり、温度が高くなり過ぎているため、その点を是正する必要があるが、熱の反射率が高いことは示されている。リフレクタ20の材質を、誘導電流が流れないもの、例えばセラミックス製に変更することで、リフレクタ20を加熱しない構成も考えられる。しかし、リフレクタ20は、融液原料110の表面からの輻射を反射することで、融液原料110の表面の径方向温度勾配を大きくし、結晶の直径制御性を向上させる目的がある。セラミック等の場合、このような熱の反射率を示すことはできない。そのため、リフレクタ20は、反射率が大きい金属製であることが望ましい。しかしながら、単純にリフレクタ20を設けただけでは、図2に示されるように、リフレクタ20の下方の近傍の温度が高くなり過ぎてしまい、単結晶に割れが発生するおそれがある。 FIG. 2 is a simulation result of calculating the temperature distribution in the crystal being grown when the crystal growth apparatus including the metal reflector 20 is used. At this time, the dielectric coils are evenly arranged from the crucible to the upper end of the after heater. In FIG. 2, regions A, B, and C are shown in descending order of temperature. As shown in FIG. 2, a region below the reflector 20 is a region A where the temperature is highest. And below that, temperature falls in order and becomes area B and area C. In this case, the area near the lower part of the reflector 20 is the area A, and the temperature is too high. Therefore, this point needs to be corrected, but it is shown that the heat reflectance is high. A configuration in which the reflector 20 is not heated by changing the material of the reflector 20 to one that does not flow an induced current, for example, made of ceramics is also conceivable. However, the reflector 20 has an object of increasing the radial temperature gradient of the surface of the melt raw material 110 and improving the crystal diameter controllability by reflecting radiation from the surface of the melt raw material 110. In the case of ceramic or the like, such heat reflectance cannot be shown. Therefore, the reflector 20 is desirably made of metal having a high reflectance. However, if the reflector 20 is simply provided, as shown in FIG. 2, the temperature in the vicinity of the lower portion of the reflector 20 becomes too high, and the single crystal may be cracked.
そこで、本実施形態においては、これらの課題を解決するため、以下のように誘導コイル60を構成した。先ず、アフター・ヒーター30の上端部を加熱するため、上部コイル部61を設けた。図2にも領域Aで示されるように、アフター・ヒーター30の上端部は、エッジ効果により高周波誘導加熱による発熱が大きくなる。そのため、図1において、上部コイル部61の上下方向(又は高さ方向、鉛直方向)におけるコイル長さの中心位置は、アフター・ヒーター上端部から上下30mm以内に配置する。この範囲よりも上部コイル部61の上下方向における中心位置がアフター・ヒーター上端部より30mmを超えて上方に設置すると、アフター・ヒーター30の発熱が弱くなり、シード軸からの放熱が抑えられず、多結晶化や冷却時の割れの発生が高くなる。また、上部コイル部61の上下方向における中心位置がアフター・ヒーター上端部よりも30mmを超えて下方に配置した場合、炉内の温度勾配が小さくなり、結晶の曲がり現象が発生する。 Therefore, in the present embodiment, in order to solve these problems, the induction coil 60 is configured as follows. First, in order to heat the upper end part of the after heater 30, the upper coil part 61 was provided. As shown in the region A in FIG. 2, the upper end portion of the after heater 30 generates a large amount of heat due to the high frequency induction heating due to the edge effect. Therefore, in FIG. 1, the center position of the coil length in the vertical direction (or height direction, vertical direction) of the upper coil portion 61 is arranged within 30 mm from the top and bottom of the upper end of the after heater. If the center position in the vertical direction of the upper coil portion 61 is set higher than 30 mm above the upper end of the after-heater than this range, the heat generated by the after-heater 30 becomes weak, and the heat dissipation from the seed shaft cannot be suppressed. The occurrence of cracking during polycrystallization and cooling increases. Moreover, when the center position in the up-down direction of the upper coil portion 61 is disposed below 30 mm beyond the upper end of the after heater, the temperature gradient in the furnace becomes small, and a crystal bending phenomenon occurs.
また、ルツボ10を加熱するための下部コイル部62の上端部は、ルツボ上端部の上下30mm以内の範囲に配置する。ここで、ルツボ10の上端部には、ルツボ10の周縁部を覆うリフレクタ20が設けられているので、リフレクタ20の上下30mm以内の範囲と捉えてもよい。下部コイル上端部をルツボ上端部から30mmを超えて上方に配置すると、融液上部の温度勾配が小さくなり、曲がり現象が発生する。また、下部コイル部62の上端部をルツボ上端部よりも30mmを超えて下方に配置すると、ルツボ上部の温度が低下し、育成結晶内の温度差が大きくなることで、多結晶化や冷却中の割れが発生するおそれがある。 Moreover, the upper end part of the lower coil part 62 for heating the crucible 10 is arrange | positioned in the range within 30 mm of the upper and lower sides of a crucible upper end part. Here, since the reflector 20 which covers the peripheral part of the crucible 10 is provided at the upper end of the crucible 10, it may be regarded as a range within 30 mm above and below the reflector 20. If the upper end of the lower coil is disposed above 30 mm from the upper end of the crucible, the temperature gradient at the upper part of the melt is reduced and a bending phenomenon occurs. Also, if the upper end of the lower coil part 62 is disposed below the upper end of the crucible by more than 30 mm, the temperature of the upper part of the crucible is lowered and the temperature difference in the grown crystal is increased. There is a risk of cracking.
上記の上部コイル部61と下部コイル部62との間に、粗巻きコイル部63を設けて、上下コイル部61、62同士を連結する。粗巻きコイル部63は、誘導コイル60の直径にもよるが、半巻から1巻とする。粗巻き部63の巻き数が多いと、粗巻きコイル部63によるルツボ10又はアフター・ヒーター30の発熱が大きくなり、温度勾配が小さくなる。そのため、曲がり現象が発生する。また、急激な折り曲げにより上下コイル部61、62同士を連結した場合、この部分に電流が集中しコイル劣化により、誘導コイル60の寿命が短くなる。粗巻きコイル部63により上下コイル部61、62同士を連結することで、コイルにより発生する磁場がルツボ上で弱くなる。そのため、ルツボ上に設置したリフレクタ20の発熱を小さくすることが可能であり、リフレクタ20を介した結晶外周部の加熱による影響が小さくなり、結晶径方向の温度差を小さくすることが可能となる。これにより、多結晶化の抑制が可能となる。 A coarsely wound coil portion 63 is provided between the upper coil portion 61 and the lower coil portion 62 to connect the upper and lower coil portions 61 and 62 to each other. The coarsely wound coil portion 63 is changed from a half turn to one turn depending on the diameter of the induction coil 60. When the number of turns of the coarse winding portion 63 is large, the heat generation of the crucible 10 or the after heater 30 by the coarse winding coil portion 63 becomes large, and the temperature gradient becomes small. Therefore, a bending phenomenon occurs. In addition, when the upper and lower coil portions 61 and 62 are connected to each other by sudden bending, the current concentrates on this portion, and the life of the induction coil 60 is shortened due to coil deterioration. By connecting the upper and lower coil portions 61 and 62 with the coarsely wound coil portion 63, the magnetic field generated by the coil becomes weak on the crucible. Therefore, it is possible to reduce the heat generation of the reflector 20 installed on the crucible, and the influence of the heating of the crystal outer periphery via the reflector 20 is reduced, and the temperature difference in the crystal diameter direction can be reduced. . Thereby, it is possible to suppress polycrystallization.
なお、上部コイル部61と下部コイル部62とでは、下部コイル部62の方が上部コイル部61よりも巻き数が多く、巻ピッチも狭くなるような構成とすることが好ましい。単結晶の育成において、ルツボ10を効率的に加熱することが最も重要であり、アフター・ヒーター30による加熱は、重要ではあるが、ルツボ10の加熱に対して飽くまで補助的な加熱となるからである。つまり、ルツボ10内での加熱が、最も強い加熱を必要とするため、下部コイル部62において、最も高温で加熱できる構成を採用すべきだからである。 The upper coil portion 61 and the lower coil portion 62 are preferably configured such that the lower coil portion 62 has a larger number of turns and a smaller winding pitch than the upper coil portion 61. In the growth of a single crystal, it is most important to efficiently heat the crucible 10, and although heating by the after heater 30 is important, it becomes auxiliary heating until it gets tired of heating the crucible 10. is there. That is, because the heating in the crucible 10 requires the strongest heating, the lower coil portion 62 should be configured to be heated at the highest temperature.
図3は、本実施形態に係る結晶育成装置の誘導コイル60と、粗巻きコイル部63が存在しない従来の誘導コイルによる育成結晶表面に発生する応力の計算結果を示した図である。 FIG. 3 is a diagram showing a calculation result of stress generated on the surface of the grown crystal by the induction coil 60 of the crystal growth apparatus according to the present embodiment and the conventional induction coil in which the coarsely wound coil portion 63 does not exist.
図3(a)は、従来の下部コイル部62のみを設けた場合である。すなわち、ルツボ周囲のみに巻き数9の誘導コイルが配置されており、誘導コイル上端部は、ルツボ10の上端と同じ位置である。つまり、アフター・ヒーター30の外周部に上部コイル部61が存在しない。この場合には、アフター・ヒーター30の発熱量が小さく結晶内の温度差が大きいため、結晶外周部表面の応力が大きくなる。そのため、多結晶化や割れの発生が懸念される。 FIG. 3A shows a case where only the conventional lower coil section 62 is provided. That is, an induction coil having 9 turns is disposed only around the crucible, and the upper end of the induction coil is at the same position as the upper end of the crucible 10. That is, the upper coil portion 61 does not exist on the outer peripheral portion of the after heater 30. In this case, since the calorific value of the after-heater 30 is small and the temperature difference in the crystal is large, the stress on the crystal outer peripheral surface becomes large. Therefore, there are concerns about the occurrence of polycrystallization and cracking.
図3(b)は、粗巻きコイル部63が無く、図3(a)の誘導コイルの構成をアフター・ヒーター30まで延長するために、巻き数を14とした構成である。この場合、誘導コイル上端部をアフター・ヒーター上端部と同じ位置とした。この場合、アフター・ヒーターが発熱することで、結晶上下方向の温度差が小さくなり、結晶表面の応力が小さくなった。 FIG. 3B shows a configuration in which the number of turns is 14 in order to extend the configuration of the induction coil shown in FIG. In this case, the upper end of the induction coil was set at the same position as the upper end of the after heater. In this case, since the after heater generated heat, the temperature difference in the vertical direction of the crystal was reduced, and the stress on the crystal surface was reduced.
図3(c)は、本実施形態に係る結晶育成装置に設けられた誘導コイル60を用いた場合であり、ルツボ周囲は、図3(a)と同じ構成として下部コイル部62を設け、加えてアフター・ヒーター上端部を発熱させるため、巻き数2の上部コイル部61をアフター・ヒーター上端部に配置し、上下コイルを半巻の粗巻きコイル部63で連結させた場合である。この構成では、アフター・ヒーター30の発熱に加えて、ルツボ上のリフレクタ20の発熱を抑制することで、図3(b)の構成よりも、結晶表面の応力を低減させることが可能となった。以上のように、本実施形態に係る誘導コイル60を用いることで、結晶表面の応力が低減していることが確認された。 FIG. 3C shows a case where the induction coil 60 provided in the crystal growth apparatus according to the present embodiment is used, and the lower coil portion 62 is provided around the crucible with the same configuration as that shown in FIG. In order to generate heat at the upper end portion of the after heater, the upper coil portion 61 having two turns is disposed at the upper end portion of the after heater, and the upper and lower coils are connected by a half-turn coarse winding coil portion 63. In this configuration, by suppressing the heat generation of the reflector 20 on the crucible in addition to the heat generation of the after-heater 30, it is possible to reduce the stress on the crystal surface compared to the configuration of FIG. . As described above, it was confirmed that the stress on the crystal surface was reduced by using the induction coil 60 according to the present embodiment.
このように、本実施形態に係る結晶育成装置によれば、金属製のリフレクタ20をルツボ10の上端に設け、上部コイル部61、下部コイル部62及び粗巻きコイル部63を有する誘導コイル60を用いて高周波誘導加熱を行うことにより、結晶表面の応力を低減させ、多結晶化や割れの発生を抑制することができる。
[実施例]
Thus, according to the crystal growing apparatus according to the present embodiment, the metal reflector 20 is provided at the upper end of the crucible 10, and the induction coil 60 having the upper coil portion 61, the lower coil portion 62, and the coarsely wound coil portion 63 is provided. By using the high frequency induction heating, the stress on the crystal surface can be reduced and the occurrence of polycrystallization and cracking can be suppressed.
[Example]
以下、本実施形態に係る結晶育成装置を用いて単結晶の育成を実施した実施例について、比較例を挙げて具体的に説明する。以下の説明では、一例としてタンタル酸リチウム単結晶育成方法について説明する。なお、理解の容易のため、今まで説明した構成要素に対応する要素については、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
[実施例1]
Hereinafter, examples in which single crystal growth was performed using the crystal growth apparatus according to the present embodiment will be specifically described with reference to comparative examples. In the following description, a method for growing a lithium tantalate single crystal will be described as an example. For ease of understanding, elements corresponding to the constituent elements described so far are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[Example 1]
イリジウム製のルツボ10にタンタル酸リチウムの原料が充填され、ルツボ10の上部に配置されたイリジウム製のリフレクタ20およびリフレクタ20の上に配置されたイリジウム製のアフター・ヒーター30を銅製の高周波誘導コイル60によって加熱するが、この高周波誘導コイル60は、上部コイル部61、粗巻コイル部63、下部コイル部62の3つの部位で構成した。また、ジルコニア製およびアルミナ製の耐火物70で保温することでルツボ10のタンタル酸リチウム原料を融解し、イリジウム製の引上げ軸50を1〜20rpmで回転させながら、1〜5mm/hの速度で垂直に引き上げることによって、種結晶120から連続的に単結晶を得た。 An iridium crucible 10 is filled with a raw material of lithium tantalate. The high-frequency induction coil 60 is composed of three parts: an upper coil part 61, a coarsely wound coil part 63, and a lower coil part 62. In addition, the lithium tantalate raw material of the crucible 10 is melted by keeping the temperature with the refractory 70 made of zirconia and alumina, and the iridium pulling shaft 50 is rotated at 1 to 20 rpm at a speed of 1 to 5 mm / h. By pulling up vertically, a single crystal was continuously obtained from the seed crystal 120.
ここで、下部コイル部62上端部とイリジウム製ルツボ10の上端の距離を0mmとした。また、上部コイル部61の上下方向におけるコイル長さの中心位置とアフター・ヒーター30の上端部の距離を0mmとした。また、上部コイル部61、下部コイル部62のコイル位置で固定するため、半巻の粗巻コイル部63で上下コイル部61、62同士を連結した。育成後の結晶は単結晶であり割れの発生も無かった。
[実施例2]
Here, the distance between the upper end portion of the lower coil portion 62 and the upper end of the iridium crucible 10 was set to 0 mm. The distance between the center position of the coil length in the vertical direction of the upper coil portion 61 and the upper end portion of the after heater 30 was set to 0 mm. Moreover, in order to fix in the coil position of the upper coil part 61 and the lower coil part 62, the upper and lower coil parts 61 and 62 were connected by the semi-coiled rough winding coil part 63. FIG. The grown crystal was a single crystal and no cracks were generated.
[Example 2]
上部コイル部61の上下方向における中心位置をアフター・ヒーター30の上端部から30mm上方の位置に配置した以外は、実施例1と同じ操作を行った。育成後の結晶は単結晶であり割れの発生も無かった。
[実施例3]
The same operation as in Example 1 was performed except that the center position of the upper coil portion 61 in the vertical direction was arranged at a position 30 mm above the upper end portion of the after heater 30. The grown crystal was a single crystal and no cracks were generated.
[Example 3]
上部コイル部61の上下方向における中心位置をアフター・ヒーター30の上端部から30mm下方の位置に配置した以外は、実施例1と同じ操作を行った。育成後の結晶は単結晶であり割れの発生も無かった。
[実施例4]
The same operation as in Example 1 was performed except that the center position of the upper coil portion 61 in the vertical direction was arranged at a position 30 mm below the upper end portion of the after heater 30. The grown crystal was a single crystal and no cracks were generated.
[Example 4]
下部コイル部62の上端部をイリジウム製ルツボ10の上端から30mm上方の位置に配置した以外は、実施例1と同じ操作を行った。育成後の結晶は単結晶であり割れの発生も無かった。
[実施例5]
The same operation as in Example 1 was performed except that the upper end portion of the lower coil portion 62 was disposed at a position 30 mm above the upper end of the iridium crucible 10. The grown crystal was a single crystal and no cracks were generated.
[Example 5]
下部コイル部62の上端部をイリジウム製ルツボ10の上端から30mm下方の位置に配置した以外は、実施例1と同じ操作を行った。育成後の結晶は単結晶であり割れの発生も無かった。
[比較例1]
The same operation as in Example 1 was performed except that the upper end portion of the lower coil portion 62 was disposed at a position 30 mm below the upper end of the iridium crucible 10. The grown crystal was a single crystal and no cracks were generated.
[Comparative Example 1]
上部コイル部61の上下方向における中心位置をアフター・ヒーター30の上端部から40mm上方の位置に配置した以外は、実施例1と同じ操作を行った。育成後の結晶は多結晶であり割れも発生した。
[比較例2]
The same operation as in Example 1 was performed except that the center position of the upper coil portion 61 in the vertical direction was arranged at a position 40 mm above the upper end portion of the after heater 30. The grown crystal was polycrystalline and cracked.
[Comparative Example 2]
上部コイル部61の上下方向における中心位置をアフター・ヒーター30の上端部から40mm下方の位置に配置した以外は、実施例1と同じ操作を行った。育成後の結晶は単結晶であり割れの発生も無かったが、曲がりが発生した。
[比較例3]
The same operation as in Example 1 was performed except that the center position of the upper coil portion 61 in the vertical direction was arranged at a position 40 mm below the upper end of the after heater 30. The grown crystal was a single crystal and no cracking occurred, but bending occurred.
[Comparative Example 3]
下部コイル部62の上端部をイリジウム製ルツボ10の上端から40mm上方の位置に配置した以外は、実施例1と同じ操作を行った。育成後の結晶は単結晶であり割れの発生も無かったが、曲がりが発生した。
[比較例4]
The same operation as in Example 1 was performed except that the upper end portion of the lower coil portion 62 was disposed at a position 40 mm above the upper end of the iridium crucible 10. The grown crystal was a single crystal and no cracking occurred, but bending occurred.
[Comparative Example 4]
下部コイル部62の上端部をイリジウム製ルツボ10の上端から40mm下方の位置に配置した以外は、実施例1と同じ操作を行った。育成後の結晶は多結晶であり割れも発生した。 The same operation as in Example 1 was performed except that the upper end portion of the lower coil portion 62 was disposed at a position 40 mm below the upper end of the iridium crucible 10. The grown crystal was polycrystalline and cracked.
このように、本実施例に係る結晶育成装置によれば、上部コイル部61及び下部コイル部62の位置を適切に設定することにより、単結晶の曲がりや割れを防止できることが示された。 As described above, according to the crystal growing apparatus according to the present example, it was shown that bending and cracking of the single crystal can be prevented by appropriately setting the positions of the upper coil portion 61 and the lower coil portion 62.
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiments and examples of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and the above-described embodiments and examples can be performed without departing from the scope of the present invention. Various modifications and substitutions can be made to the embodiments.
10 ルツボ
20 リフレクタ
30 アフター・ヒーター
40 ルツボ台
50 引き上げ軸
60 誘導コイル
61 上部コイル部
62 下部コイル部
63 粗巻きコイル部63
70 耐火物
80 断熱材
90 チャンバー
100 電源
110 原料融液
120 種結晶
10 crucible 20 reflector 30 after heater 40 crucible base 50 lifting shaft 60 induction coil 61 upper coil part 62 lower coil part 63 coarse winding coil part 63
70 Refractory 80 Heat insulation 90 Chamber 100 Power supply 110 Raw material melt 120 Seed crystal
Claims (6)
該ルツボの周縁部を覆うように上端に配置された金属製円環状のリフレクタと、
該リフレクタ上に設けられた金属製円筒状のアフター・ヒーターと、
前記ルツボの周囲に配置された下部コイル部と、該下部コイル部と離間して該下部コイル部よりも上方に配置された上部コイル部と、該上部コイル部と前記下部コイル部との間に設けられ、前記上部コイル部と前記下部コイル部とを接続する粗巻コイル部と、を有する加熱用の誘導コイルと、を有する結晶育成装置。 A metal crucible having a cylindrical side surface capable of holding a raw material melt;
A metal annular reflector disposed at the upper end so as to cover the periphery of the crucible;
A metal cylindrical after-heater provided on the reflector;
A lower coil portion disposed around the crucible, an upper coil portion spaced apart from the lower coil portion and disposed above the lower coil portion, and between the upper coil portion and the lower coil portion A crystal growth apparatus comprising: a heating induction coil that is provided and has a coarsely wound coil part that connects the upper coil part and the lower coil part.
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