JP2018039694A - Single crystal growing apparatus and single crystal manufacturing method - Google Patents
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Abstract
【課題】融液の流れが安定して中心に向かうようになり、確実に同じ状態で種付けができ形状の良好な結晶が安定して育成することが可能な単結晶育成装置を提供する。【解決手段】酸化物単結晶の原料を融解させた融液21を貯留する坩堝20と、坩堝20の周囲に配置され、酸化物単結晶の原料を加熱するヒーター30と、坩堝20の軸心の上方に、酸化物単結晶の種結晶51が取り付けられた引上げ軸50とを備え、坩堝20の融液面には、円形リング22aの外周から放射状に延在した複数枚の整流板22bが設けられる整流部材22を配置する。【選択図】図2The present invention provides a single crystal growing apparatus in which a flow of a melt is stably directed toward the center, and seeds can be reliably seeded in the same state and a crystal having a good shape can be stably grown. A crucible 20 for storing a melt 21 obtained by melting a raw material of an oxide single crystal, a heater 30 disposed around the crucible 20 for heating the raw material of an oxide single crystal, and an axis of the crucible 20 are provided. And a pulling shaft 50 to which a seed crystal 51 of an oxide single crystal is attached. On the melt surface of the crucible 20, a plurality of rectifying plates 22b extending radially from the outer periphery of the circular ring 22a are provided. The rectifying member 22 to be provided is arranged. [Selection] Figure 2
Description
本発明は、単結晶育成装置および単結晶の製造方法に関するものであり、特にサファイア単結晶において好適なものである。 The present invention relates to a single crystal growth apparatus and a method for producing a single crystal, and is particularly suitable for a sapphire single crystal.
サファイア単結晶は、酸化アルミニウムのコランダム構造を有する結晶体であり、優れた機械的及び熱的特性、化学安定性、光透過性を有することから、多くの分野ですでに利用されている。特に、サファイア単結晶は、光学分野におけるシリコン・オン・サファイア(SOS)デバイス用の基板として用いられており、これらの用途の重要性が高まるに応じてその需要が飛躍的に伸びてきている。 A sapphire single crystal is a crystal having a corundum structure of aluminum oxide, and has already been used in many fields because it has excellent mechanical and thermal properties, chemical stability, and light transmittance. In particular, sapphire single crystals are used as substrates for silicon-on-sapphire (SOS) devices in the optical field, and the demand for these sapphire is growing dramatically as the importance of these applications increases.
従来からサファイア単結晶を製造する方法として、様々な結晶製造法(EFG法、Ky法、VHGH法、HEM法、アークエナジー法、CZ法等)が検討されてきた。その中で、単結晶から、基板上に加工し、表面研磨することにより品質的にもコスト的にも有効な単結晶製造方法としては、チョクラルスキー法(CZ法)が代表的な方法である。CZ法は、サファイア原料を坩堝内で融解し、その原料を溶融させた融液面に種結晶を接触させて、徐々に引上げることにより単結晶を育成する方法である。 Conventionally, as a method for producing a sapphire single crystal, various crystal production methods (EFG method, Ky method, VHGH method, HEM method, arc energy method, CZ method, etc.) have been studied. Among them, the Czochralski method (CZ method) is a typical method for producing a single crystal that is effective in terms of quality and cost by processing a single crystal on a substrate and polishing the surface. is there. The CZ method is a method for growing a single crystal by melting a sapphire raw material in a crucible, bringing a seed crystal into contact with a melt surface obtained by melting the raw material, and gradually pulling it up.
例えば、特許文献1では、サファイア単結晶を育成するため、カーボン系ヒーターを用いたチャンバーと、そのチャンバー内に設置されるモリブデン製の坩堝とを構成するサファイア単結晶製造装置が記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a sapphire single crystal manufacturing apparatus that includes a chamber using a carbon heater and a molybdenum crucible installed in the chamber in order to grow a sapphire single crystal.
単結晶製造装置では、自然対流により坩堝周辺から融液面の中心に向かう流れとなっており、融液面の中心が最低温度位置となるため、この中心において種付けすることが必要となる。しかしながら、単結晶製造装置では、サファイア単結晶の原料の融点が2000℃を超えるため、融液の流れが非常に不安定でなりうるので、融液の流れを制御していない場合には、融液面の最低温度の位置が中心からずれ、種付けがうまくいかず、単結晶の収率が悪くなるおそれがある。 In the single crystal manufacturing apparatus, natural convection causes a flow from the periphery of the crucible toward the center of the melt surface, and since the center of the melt surface is the lowest temperature position, seeding is required at this center. However, since the melting point of the sapphire single crystal raw material exceeds 2000 ° C. in the single crystal manufacturing apparatus, the flow of the melt can be very unstable. There is a possibility that the position of the lowest temperature on the liquid surface is shifted from the center, seeding is not successful, and the yield of the single crystal is deteriorated.
そこで、本発明は、上述の従来の問題点を解決し、融液面の最低温度位置が確実に中心になるようにして、安定な種付けを行うことが可能な単結晶育成装置および酸化物単結晶の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention solves the above-mentioned conventional problems, and makes it possible to perform stable seeding by making sure that the lowest temperature position on the melt surface is at the center. It aims at providing the manufacturing method of a crystal | crystallization.
すなわち、本発明の一態様に係る単結晶育成装置は、チョクラルスキー法により、酸化物単結晶を製造する単結晶育成装置であって、前記酸化物単結晶の原料を融解させた融液を貯留する坩堝と、前記坩堝の周囲に配置され、前記酸化物単結晶の原料を加熱するヒーターと、前記坩堝の軸心の上方に、前記酸化物単結晶の種結晶が取り付けられた引上げ軸とを備え、前記坩堝の融液面には、円形リングの外周から放射状に延在した複数枚の整流板が設けられる整流部材を配置することを特徴とする。 That is, the single crystal growth apparatus according to one aspect of the present invention is a single crystal growth apparatus for manufacturing an oxide single crystal by the Czochralski method, and a melt obtained by melting the raw material of the oxide single crystal. A crucible to be stored; a heater that is disposed around the crucible and that heats the raw material of the oxide single crystal; and a pulling shaft on which a seed crystal of the oxide single crystal is attached above an axis of the crucible. A rectifying member provided with a plurality of rectifying plates extending radially from the outer periphery of the circular ring is disposed on the melt surface of the crucible.
また、本発明の一態様に係る単結晶育成装置では、前記円形リングの内径は、前記種結晶の径よりも大きいことが好ましい。 In the single crystal growing apparatus according to one aspect of the present invention, it is preferable that an inner diameter of the circular ring is larger than a diameter of the seed crystal.
また、本発明の一態様に係る単結晶育成装置では、円形リングの内径は、前記種結晶の径より2倍以上であることが好ましい。 In the single crystal growing apparatus according to one embodiment of the present invention, it is preferable that the inner diameter of the circular ring is twice or more than the diameter of the seed crystal.
また、本発明の一態様に係る単結晶育成装置では、前記整流部材の整流板は、等間隔に6枚または8枚取り付けられることが好ましい。 In the single crystal growing apparatus according to one aspect of the present invention, it is preferable that six or eight rectifying plates of the rectifying member are attached at equal intervals.
また、本発明の一態様に係る単結晶育成装置では、前記整流板の浸漬率が、0.4以上0.8以下であることが好ましい。 Moreover, in the single crystal growing apparatus which concerns on 1 aspect of this invention, it is preferable that the immersion rate of the said baffle plate is 0.4-0.8.
また、本発明の一態様に係る単結晶育成装置では、前記坩堝の直径が350mm以上450mm以下である場合には、該坩堝の高さが400mm以上800mm以下であることが好ましい。 In the single crystal growth apparatus according to one embodiment of the present invention, when the diameter of the crucible is 350 mm or more and 450 mm or less, the height of the crucible is preferably 400 mm or more and 800 mm or less.
また、本発明の一態様に係る単結晶育成装置では、前記酸化物単結晶が、サファイア単結晶であることが好ましい。 In the single crystal growing apparatus according to one embodiment of the present invention, the oxide single crystal is preferably a sapphire single crystal.
本発明の他の態様に係る単結晶の製造方法は、チョクラルスキー法により、酸化物単結晶を製造する酸化物単結晶の製造方法であって、前記酸化物単結晶の原料を、該原料の融点を超える温度により、坩堝内にて溶融した融液の状態で保持する加熱工程と、円形リングの外周から放射状に延在した複数枚の整流板が設けられる整流部材を配置する設置工程と、前記坩堝の軸心の上方に、前記酸化物単結晶の種結晶が取り付けられた引上げ軸を配置し、該種結晶を前記融液面の中心に接触させることにより、前記酸化物単結晶を育成する育成工程と、前記整流部材を取り外す除去工程と、前記酸化物単結晶を支持する前記引上げ軸を、上昇させる引上げ工程とを有し、前記設置工程では、前記坩堝の融液面に前記整流部材を配置することにより、該融液面の中心に向って前記融液が対流されるように制御することを特徴とする。 A method for producing a single crystal according to another embodiment of the present invention is a method for producing an oxide single crystal by producing an oxide single crystal by the Czochralski method, wherein the raw material for the oxide single crystal is used as the raw material. A heating step for maintaining the melted state in the crucible at a temperature exceeding the melting point of the crucible, and an installation step for arranging a rectifying member provided with a plurality of rectifying plates extending radially from the outer periphery of the circular ring; A pulling shaft to which the seed crystal of the oxide single crystal is attached is disposed above the crucible axis, and the oxide single crystal is brought into contact with the center of the melt surface by bringing the seed crystal into contact with the center of the melt surface. A growing step for growing, a removing step for removing the rectifying member, and a pulling step for lifting the pulling shaft that supports the oxide single crystal. In the setting step, the melt surface of the crucible is placed on the melt surface. By arranging the rectifying member The melt toward the center of the melting liquid level and controls so that convection.
また、本発明の他の態様に係る単結晶の製造方法では、前記育成工程後に、前記酸化物単結晶が成長したことを検査する検査工程をさらに設けることが好ましい。 In the method for producing a single crystal according to another aspect of the present invention, it is preferable that an inspection step for inspecting the growth of the oxide single crystal is further provided after the growth step.
本発明によれば、融液の流れが安定して中心に向かうようになり、確実に同じ状態で種付けができ、形状の良好な結晶が安定して育成できる。 According to the present invention, the flow of the melt is stably directed toward the center, so that seeding can be reliably performed in the same state, and crystals having a good shape can be stably grown.
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and all the configurations described in the present embodiment are essential as means for solving the present invention. Not necessarily.
[1.概要]
従来から、サファイア原料融液からチョクラルスキー法によりサファイア単結晶を製造するには、図1に示すようなサファイア単結晶育成装置100が用いられる。
[1. Overview]
Conventionally, to produce a sapphire single crystal from a sapphire raw material melt by the Czochralski method, a sapphire single crystal growing apparatus 100 as shown in FIG. 1 is used.
この単結晶育成装置100は、チャンバー110内に設置される断熱材120及びヒーター130で囲まれる空間にサファイア原料を充填する坩堝140が設置される。原料融液の表面が一定の位置を維持するために、坩堝140は、坩堝台150および坩堝軸160により支持され、チャンバー110上部から断熱材120の上面部の開口を通じて、融液141の上表面に結晶軸170を介して種結晶171を接触させ、結晶軸170及び種結晶171を引上げることによりサファイア単結晶を育成する。 In this single crystal growing apparatus 100, a crucible 140 for filling a sapphire material in a space surrounded by a heat insulating material 120 and a heater 130 installed in a chamber 110 is installed. In order to maintain the surface of the raw material melt at a fixed position, the crucible 140 is supported by the crucible base 150 and the crucible shaft 160, and the upper surface of the melt 141 is passed from the upper part of the chamber 110 through the opening on the upper surface of the heat insulating material 120. A seed crystal 171 is brought into contact with each other via a crystal axis 170, and the crystal axis 170 and the seed crystal 171 are pulled up to grow a sapphire single crystal.
この単結晶の育成において、まず種結晶171を融液面の中心位置につけ、種結晶171の先端に結晶を析出させた後、種結晶171を回転させながら引上げて結晶を成長させていく。 In the growth of this single crystal, first, the seed crystal 171 is placed at the center of the melt surface, the crystal is deposited on the tip of the seed crystal 171, and then the seed crystal 171 is pulled up while rotating to grow the crystal.
融液の流れが不安定であると、融液面の最低温度の位置が中心からずれ、種付けがうまくいかず、単結晶の収率が悪くなる。融液面の最低温度の位置が中心からずれた場合、種結晶の中心からずれたところに結晶が成長するため、ねじれた結晶ができ結晶の歩留まりが悪くなる。また、中心軸からずれた結晶が成長していくと、回転している結晶軸のブレが大きくなり結晶軸が損傷を受ける。 If the flow of the melt is unstable, the position of the lowest temperature on the melt surface is shifted from the center, the seeding is not successful, and the yield of the single crystal is deteriorated. When the position of the lowest temperature on the melt surface deviates from the center, the crystal grows at a position deviated from the center of the seed crystal, so that a twisted crystal is formed and the yield of the crystal is deteriorated. Further, when a crystal deviating from the central axis grows, the rotation of the rotating crystal axis increases and the crystal axis is damaged.
このように、サファイア単結晶である場合には、融点が2040℃と非常に高温であることから、炉内環境を常に監視しながら、融液面の最低温度位置に種結晶を接触させることが重要である。しかしながら、このようなきわめて高温の環境での種結晶の接触位置の制御は極めて困難な作業であった。 Thus, in the case of a sapphire single crystal, since the melting point is very high, 2040 ° C., the seed crystal can be brought into contact with the lowest temperature position on the melt surface while constantly monitoring the furnace environment. is important. However, control of the contact position of the seed crystal in such an extremely high temperature environment is an extremely difficult task.
この問題を解決するために、発明者らが鋭意検討した結果、坩堝内の融液面の最低温度位置を坩堝の中心の位置となるように、坩堝内融液の対流をコントロールすることが、肝要であると考え、これを達成するためには、坩堝の中心方向に向いた複数の整流板を備える整流部材を融液面に浸漬し、坩堝内融液面付近の融液を、坩堝の中心位置方向に対流を強制的に誘導することにより、可能となることを見出した。 In order to solve this problem, the inventors have intensively studied, and as a result, controlling the convection of the melt in the crucible so that the lowest temperature position of the melt surface in the crucible becomes the center position of the crucible, In order to achieve this, a rectifying member having a plurality of rectifying plates facing the center of the crucible is immersed in the melt surface, and the melt near the melt surface in the crucible is immersed in the crucible. We found that this is possible by forcibly inducing convection in the direction of the center position.
上記の方法により、酸化アルミニウム原料融液の坩堝表面の対流を起こさせ、坩堝中央で融液が下方に対流し、この下方に対流する中央部が融液面の最低温度位置となるので、この位置に種結晶を接触することにより容易に種付けができるようになり、また坩堝の中心位置で単結晶を均一に引上げることで温度勾配も適正な勾配とすることが可能となるため、結晶欠陥(ボイド、多結晶化)のない単結晶を高収率で得ることができる。以下、本実施の形態に係る単結晶育成装置および単結晶の製造方法についてそれぞれ説明する。 By the above method, convection of the crucible surface of the aluminum oxide raw material melt is caused, the melt is convected downward in the center of the crucible, and the central portion that convects downward is the lowest temperature position on the melt surface. Since the seed crystal can be easily seeded by contacting the seed crystal at the position, and the single crystal can be pulled uniformly at the center position of the crucible, the temperature gradient can be adjusted to an appropriate gradient. A single crystal without (void, polycrystallization) can be obtained in high yield. Hereinafter, the single crystal growth apparatus and the single crystal manufacturing method according to the present embodiment will be described.
[2−1.単結晶育成装置]
まず、本実施の形態に係る単結晶育成装置について説明する。本実施形態に係る単結晶育成装置は、CZ法により、坩堝内で原料を加熱溶融して得られた融液からサファイア単結晶等の酸化物単結晶を引上げて製造する装置である。
[2-1. Single crystal growth equipment]
First, the single crystal growth apparatus according to the present embodiment will be described. The single crystal growing apparatus according to the present embodiment is an apparatus for producing an oxide single crystal such as a sapphire single crystal from a melt obtained by heating and melting a raw material in a crucible by a CZ method.
図2(A)は本発明の一実施形態に係る単結晶育成装置を示す概略断面図であり、図2(B)は本発明の一実施形態に係る単結晶育成装置に備わる坩堝を示す概略断面図である。本実施形態に係る単結晶育成装置1は、図2(A)に示すように、チャンバー10と、坩堝20と、ヒーター30と、断熱材40と、引上げ軸50と、支持軸60とを備えたものである。 FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing a single crystal growth apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a schematic view showing a crucible provided in the single crystal growth apparatus according to an embodiment of the present invention. It is sectional drawing. As shown in FIG. 2A, the single crystal growing apparatus 1 according to the present embodiment includes a chamber 10, a crucible 20, a heater 30, a heat insulating material 40, a pulling shaft 50, and a support shaft 60. It is a thing.
チャンバー10は、略円筒形状である。このチャンバー10は、ガス導入管(不図示)とガス排出管(不図示)を有し、例えば、単結晶成長時等の通常時はチャンバー10の上部に取り付けられるプルチャンバー(不図示)の上方から不活性ガス等を炉内にガス導入管を介して導入し、この導入したガスを、チャンバーの底部のガス排出管から真空ポンプ(不図示)等により炉外へ排出することができる。一方、原料チャージ等の際には、ゲートバルブ(不図示)を閉めてプルチャンバー内で原料チャージ等の作業を行い、その後、プルチャンバー内をプルチャンバー用のガス排出管とガス導入管を用いてガス置換を実施できる。なお、チャンバー10には、断熱材40を貫通する形で覗き窓(不図示)が設けられてもよく、酸化物単結晶の引上げの状態を確認することができる。さらに、チャンバー10には、各種温度測定手段も設けられる。 The chamber 10 has a substantially cylindrical shape. The chamber 10 has a gas introduction pipe (not shown) and a gas discharge pipe (not shown). For example, above a pull chamber (not shown) attached to the upper part of the chamber 10 at the normal time such as during single crystal growth. Then, an inert gas or the like can be introduced into the furnace through a gas introduction pipe, and the introduced gas can be discharged out of the furnace from a gas discharge pipe at the bottom of the chamber by a vacuum pump (not shown) or the like. On the other hand, when charging the raw material, the gate valve (not shown) is closed and the raw material is charged in the pull chamber. After that, the pull chamber uses a gas exhaust pipe and a gas introduction pipe for the pull chamber. Gas replacement. Note that a viewing window (not shown) may be provided in the chamber 10 so as to penetrate the heat insulating material 40, and the state of pulling up the oxide single crystal can be confirmed. Further, the chamber 10 is also provided with various temperature measuring means.
坩堝20は、チャンバーの内部10に配置される。坩堝20は、酸化物単結晶の原料を融解させた融液21を貯留する。この坩堝20の形状は、略円筒形状である。また、坩堝20のサイズは、特に限定されないが、例えば坩堝20の直径が350mm以上450mm以下である場合には、該坩堝20の高さが400mm以上800mm以下であることが好ましい。このようなサイズは、坩堝20内にて融液21を融液面の中心に対流させるのに、構造上適している。 The crucible 20 is disposed inside the chamber 10. The crucible 20 stores a melt 21 obtained by melting a raw material of an oxide single crystal. The crucible 20 has a substantially cylindrical shape. The size of the crucible 20 is not particularly limited. For example, when the diameter of the crucible 20 is 350 mm or more and 450 mm or less, the height of the crucible 20 is preferably 400 mm or more and 800 mm or less. Such a size is structurally suitable for convection of the melt 21 to the center of the melt surface in the crucible 20.
サファイア単結晶をCZ法により育成する場合、サファイア単結晶の融点が2040℃であることから、単結晶の育成環境は2000℃以上の高温となる。このような高温環境化では、坩堝20に使用できる材質は、タングステン(W)、イリジウム(Ir)、モリブテン(Mo)、タンタル(Ta)、カーボン、およびこれらの合金などのサファイア単結晶用原料の融点以上の耐熱性を有する高融点材料に限られ、中でもサファイアの熱膨張係数よりも小さい、タングステンやモリブテンが好ましい。 When the sapphire single crystal is grown by the CZ method, since the melting point of the sapphire single crystal is 2040 ° C., the growth environment of the single crystal is a high temperature of 2000 ° C. or higher. In such a high temperature environment, materials that can be used for the crucible 20 are sapphire single crystal raw materials such as tungsten (W), iridium (Ir), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), carbon, and alloys thereof. It is limited to a high melting point material having heat resistance equal to or higher than the melting point, and tungsten or molybdenum which is smaller than the thermal expansion coefficient of sapphire is particularly preferable.
図2(B)に示すように、坩堝10内において、坩堝10の軸心に沿って融液面に整流部材22が配置されている。この整流部材22は、円形リング22aの外周から放射状に延在した複数枚の整流板22bが設けられる。本実施形態では、整流部材22を融液面に配置することで、整流部材22に設けた複数枚の整流板22bにより、融液の対流が安定して融液面の中心に向かうようになる。そして、整流部材22には、単結晶の育成が終了した後にこの整流部材22を引上げるため、整流部材用引上げ軸23が円形リング22aから鉛直上方に延在している。 As shown in FIG. 2 (B), a rectifying member 22 is arranged on the melt surface along the axis of the crucible 10 in the crucible 10. The rectifying member 22 is provided with a plurality of rectifying plates 22b extending radially from the outer periphery of the circular ring 22a. In the present embodiment, by arranging the rectifying member 22 on the melt surface, the plurality of rectifying plates 22b provided on the rectifying member 22 stabilizes the convection of the melt toward the center of the melt surface. . In order to pull up the rectifying member 22 after the growth of the single crystal is finished, the rectifying member pulling shaft 23 extends vertically upward from the circular ring 22a.
この整流板22bの一部が融液21に浸漬して、整流板22bの浸漬率が、0.4以上0.8以下であることが好ましい。浸漬していない整流板22bが融液外に露出することで、融液の対流がより安定して融液面の中心に向かうようになる。なお、浸漬率とは、整流板の高さに対する、融液に浸漬している整流板の高さの割合を示す指標である。また、整流板の先端縁とこの先端縁に対向する坩堝の内周面との間には、整流部材の取り外しを行い易いよう、0.1mm〜1.0mm程度のクリアランスが設けられている。 It is preferable that a part of the current plate 22b is immersed in the melt 21, and the immersion rate of the current plate 22b is 0.4 or more and 0.8 or less. Since the rectifying plate 22b that is not immersed is exposed outside the melt, the convection of the melt is more stably directed toward the center of the melt surface. The immersion rate is an index indicating the ratio of the height of the rectifying plate immersed in the melt to the height of the rectifying plate. Further, a clearance of about 0.1 mm to 1.0 mm is provided between the front edge of the current plate and the inner peripheral surface of the crucible facing the front edge so that the current member can be easily removed.
この円形リング22aの内径は、種結晶51の径よりも大きいことが好ましく、種結晶51の径より2倍以上であることがより好ましい。上限値は、円形リング22aと坩堝20の内径から、適宜選択することができ、円形リング22aの内径は、種結晶の径より4倍以下であればよい。整流部材22に設けられる円形リング22aが種結晶51を浸漬するための領域を広めに確保することでき、この領域が融液内の最低温度となる領域が広がるので、より確実に同じ状態で種付けができる。 The inner diameter of the circular ring 22 a is preferably larger than the diameter of the seed crystal 51, and more preferably twice or more than the diameter of the seed crystal 51. The upper limit value can be appropriately selected from the inner diameters of the circular ring 22a and the crucible 20, and the inner diameter of the circular ring 22a may be four times or less than the diameter of the seed crystal. The circular ring 22a provided on the rectifying member 22 can secure a wide area for immersing the seed crystal 51, and the area where the minimum temperature in the melt is widened can be more reliably seeded in the same state. Can do.
図3(A)は本発明の一実施形態に係る単結晶育成装置の整流部材を示す斜視図であり、図3(B)は発明の一実施形態に係る単結晶育成装置の整流部材を示す斜視図である。図3(A)に示す整流部材22は、円形リング22aの外周から放射状に延在し、等間隔に6枚の整流板22bが設けられる。この円形リング22aの断面は、円状、楕円状、角状が挙げられる。また、図3(B)に示す整流部材22は、円形リング22aおよび保持部材22cの外周から放射状に延在し、等間隔に6枚の整流板22bが設けられ、この保持部材22cは、円形リング22aが鉛直下方に筒状に延在し、整流板22bが設けられていない領域には略U字型に切り欠いている。 FIG. 3A is a perspective view showing a rectifying member of a single crystal growing apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B shows a rectifying member of a single crystal growing apparatus according to an embodiment of the present invention. It is a perspective view. The rectifying member 22 shown in FIG. 3 (A) extends radially from the outer periphery of the circular ring 22a, and six rectifying plates 22b are provided at equal intervals. The cross section of the circular ring 22a may be circular, elliptical, or square. 3B extends radially from the outer periphery of the circular ring 22a and the holding member 22c, and six current plates 22b are provided at equal intervals. The holding member 22c has a circular shape. The ring 22a extends vertically downward in a cylindrical shape, and is cut out in a substantially U shape in a region where the rectifying plate 22b is not provided.
すなわち、整流部材22の整流板22bは、複数枚取り付けられていれば限定されないが、等間隔に6枚(図3(A),(B)参照)または8枚取り付けられることが好ましい。これにより、融液面から深さ50mm程度において、等間隔に画分された融液面付近の流れを制御することができるので、融液21の流れがさらに安定して中心に向かうようになり、より確実に同じ状態で種付けができ、形状の良好な結晶が安定して育成できる。 That is, the rectifying plate 22b of the rectifying member 22 is not limited as long as a plurality of rectifying plates 22b are attached, but it is preferable that six (see FIGS. 3A and 3B) or eight are attached at equal intervals. This makes it possible to control the flow in the vicinity of the melt surface divided at equal intervals at a depth of about 50 mm from the melt surface, so that the flow of the melt 21 is more stably directed toward the center. The seeds can be more reliably seeded in the same state, and crystals having good shapes can be stably grown.
次に、図4は本発明の一実施形態に係る単結晶育成装置に備わる坩堝に貯留される融液の速度分布を示す図であり、融液の流れと整流板の位置関係を示すものである。図4によれば、融液21の流れは、坩堝20内の側面から融液面の両端を介して矢印方向に融液面の中心まで一定のスピードである。この融液の流れは、整流板22bにより融液面の中心に向うよう制御されている。次いで、融液21の流れは、融液面の中心近辺から非常に速くなり、他の領域よりも速いものとなる。坩堝20内の底部まで融液21の流れが速く、この融液21の流れが坩堝内の底部にぶつかることで区分されるので、坩堝20内の底部の両端へと融液21の流れが徐々に遅くなる。このように、融液21は、速度分布にしたがって、坩堝20内を内回りに対流する。なお、融液21が内回りで対流するため、この内回りの内部には、融液の流れが存在しないものとなる。 Next, FIG. 4 is a diagram showing the velocity distribution of the melt stored in the crucible provided in the single crystal growth apparatus according to one embodiment of the present invention, and shows the positional relationship between the flow of the melt and the current plate. is there. According to FIG. 4, the flow of the melt 21 is at a constant speed from the side surface in the crucible 20 to the center of the melt surface in the direction of the arrow through both ends of the melt surface. The flow of the melt is controlled so as to be directed toward the center of the melt surface by the rectifying plate 22b. Next, the flow of the melt 21 becomes very fast from the vicinity of the center of the melt surface, and becomes faster than other regions. Since the flow of the melt 21 is fast to the bottom of the crucible 20 and the flow of the melt 21 hits the bottom of the crucible 20, the flow of the melt 21 gradually reaches both ends of the bottom of the crucible 20. To be late. Thus, the melt 21 convects in the crucible 20 inwardly according to the velocity distribution. In addition, since the melt 21 convects inward, there is no melt flow in the inner periphery.
融液内の流れは上記のように、融液面の流れは中心方向になっており、融液面付近の中心に向かう流れの深さは50mm程度であるため、この流れを制御するには整流板22bが10mm以上は必要である。ただ50mmより深い整流板22bを挿入しても効果は変わらない。したがって、整流板22bの幅は10mm以上50mm以下とすることが好ましい。また、整流板22bの厚さは、特に限定されないが、1mm以上5mm以下とすることが好ましい。融液21の流れを阻害しないようにするためには5mm以下とする。厚すぎると整流板22bの端面で中心に向かう流れが変わってしまう。また、強度的に安定した整流を行うために1mm以上とする。 As described above, the flow in the melt is in the center direction, and the depth of the flow toward the center in the vicinity of the melt surface is about 50 mm. The current plate 22b needs to be 10 mm or more. Even if the rectifying plate 22b deeper than 50 mm is inserted, the effect does not change. Therefore, the width of the rectifying plate 22b is preferably 10 mm or more and 50 mm or less. The thickness of the rectifying plate 22b is not particularly limited, but is preferably 1 mm or more and 5 mm or less. In order not to obstruct the flow of the melt 21, the thickness is set to 5 mm or less. If it is too thick, the flow toward the center at the end face of the current plate 22b changes. Moreover, in order to perform stable rectification in strength, the thickness is set to 1 mm or more.
整流部材22の材質は、特に限定されないが、サファイア単結晶をCZ法により育成する場合には、タングステン、イリジウム、モリブテン、タンタル、およびこれらの合金などのサファイア単結晶用原料の融点以上の耐熱性を有するものに限られ、中でもサファイアの熱膨張係数よりも小さい、タングステンやモリブテンが好ましい。 The material of the rectifying member 22 is not particularly limited, but when the sapphire single crystal is grown by the CZ method, the heat resistance is higher than the melting point of the raw material for sapphire single crystal such as tungsten, iridium, molybdenum, tantalum, and alloys thereof. Among them, tungsten and molybdenum are preferred, which are smaller than the thermal expansion coefficient of sapphire.
ヒーター30は、坩堝20内に充填した単結晶用原料を融解するため、坩堝20の周囲に設けられる。ヒーター30として、特に限定されないが、抵抗加熱ヒーターが好ましい。また、ヒーター30の代替として、加熱コイルを坩堝内に設置して、高周波誘導加熱してもよい。 The heater 30 is provided around the crucible 20 in order to melt the single crystal raw material filled in the crucible 20. The heater 30 is not particularly limited, but a resistance heater is preferable. As an alternative to the heater 30, a heating coil may be installed in the crucible and subjected to high frequency induction heating.
断熱材40は、ヒーター30の外側であり、チャンバー10の内面に沿って設けられる。サファイア単結晶の融点は非常に高いが、断熱材40がヒーター30の側方のみならず上方や下方にも設けられているので、十分な保温性を確保することができ、坩堝20内のサファイア原料を効率よく加熱することができる。 The heat insulating material 40 is provided outside the heater 30 and along the inner surface of the chamber 10. Although the melting point of the sapphire single crystal is very high, since the heat insulating material 40 is provided not only on the side of the heater 30 but also on the upper side and the lower side, sufficient heat retention can be secured, and the sapphire in the crucible 20 The raw material can be efficiently heated.
引上げ軸50は、坩堝20の軸心の上方に配置される。引上げ軸50は、酸化物単結晶の種結晶51が取り付けられている。また、引上げ軸50には、育成した単結晶の結晶重量を計測するために重量測定部(不図示)を設けてもよい。 The pulling shaft 50 is disposed above the axis of the crucible 20. A pulling shaft 50 is attached with a seed crystal 51 of an oxide single crystal. Further, the pulling shaft 50 may be provided with a weight measuring unit (not shown) in order to measure the crystal weight of the grown single crystal.
支持軸60は、支持台61を介して載置できよう坩堝20を支持するために、チャンバー10の軸心に沿って配置される。支持軸60は、上下動が可能である。なお、支持台61は、円板状である。この支持台61は、耐熱性がある金属や黒鉛等が使用される。 The support shaft 60 is disposed along the axial center of the chamber 10 in order to support the crucible 20 so that it can be placed via the support base 61. The support shaft 60 can move up and down. In addition, the support base 61 is disk shape. The support base 61 is made of heat-resistant metal, graphite, or the like.
整流部材用引上げ軸23、引上げ軸50、および支持軸60を上下動させるために、それぞれに駆動用モーター(不図示)を配置できる。また、駆動用モーター及び重量測定部は制御部(不図示)に接続しておくこともできる。 In order to move the straightening member pulling shaft 23, the pulling shaft 50, and the support shaft 60 up and down, drive motors (not shown) can be arranged respectively. The driving motor and the weight measuring unit can be connected to a control unit (not shown).
[2−2.単結晶の製造方法]
次に、単結晶の製造方法について説明する。図5は、本発明の一実施形態に係る単結晶の製造方法の概略を示すフロー図である。本実施形態に係る単結晶の製造方法は、図5に示すように、酸化物単結晶の原料を、融液21の状態で保持する加熱工程(以下、「加熱工程S1」ともいう。)と、整流部材22を配置する設置工程(以下、「設置工程S2」ともいう。)と、酸化物単結晶を育成する育成工程(以下、「育成工程S3」ともいう。)と、整流部材22を取り外す除去工程(以下、「除去工程S5」ともいう。)と、引上げ軸50を上昇させる引上げ工程(以下、「引上げ工程S6」ともいう。)とを有する。また、本実施形態では、育成工程S3後に検査工程S4をさらに設けてもよい。以下、各工程S1〜S6についてそれぞれ説明する。
[2-2. Single crystal manufacturing method]
Next, a method for producing a single crystal will be described. FIG. 5 is a flowchart showing an outline of a method for producing a single crystal according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the method for producing a single crystal according to the present embodiment includes a heating step (hereinafter, also referred to as “heating step S <b> 1”) in which a raw material for an oxide single crystal is held in a melt 21 state. The step of arranging the rectifying member 22 (hereinafter also referred to as “installation step S2”), the step of growing the oxide single crystal (hereinafter also referred to as “growing step S3”), and the rectifying member 22 are arranged. A removal step (hereinafter also referred to as “removal step S5”) to be removed and a pulling step (hereinafter also referred to as “lifting step S6”) for raising the pulling shaft 50 are included. Moreover, in this embodiment, you may further provide inspection process S4 after growing process S3. Hereinafter, each process S1-S6 is demonstrated, respectively.
加熱工程S1は、酸化物単結晶の原料を、この原料の融点を超える温度で、坩堝20内で溶融した融液21の状態で保持する工程である。 The heating step S1 is a step of holding the raw material of the oxide single crystal in the state of the melt 21 melted in the crucible 20 at a temperature exceeding the melting point of the raw material.
また、本実施形態の酸化物単結晶の製造方法においては、酸化物の単結晶の中でも特にサファイア単結晶をより好適に製造できる。このため、単結晶用原料として酸化アルミニウム粉末をより好適に用いることができる。 Moreover, in the manufacturing method of the oxide single crystal of this embodiment, a sapphire single crystal can be manufactured more suitably among oxide single crystals. For this reason, aluminum oxide powder can be used more suitably as a raw material for single crystals.
酸化アルミニウム粉末は、実質的にAlとOの2元素からなる酸化アルミニウムである。材料純度99.95〜99.998%程度のα−アルミナ(Al2O3)が好ましい。また、目的とするサファイア単結晶の種類に合わせて、AlとOのほかに、Ti、Cr、Si、Ca、Mgなどを含んでいてもよい。このうちSi、Ca、Mgなどは、焼結助剤の成分として不可避的に含まれうるが、その含有量は極力少ないことが望ましい。また、酸化アルミニウム粉末を用いる場合、その粒径や密度は特に制限されないが、取り扱い上、例えば粒径は10mm以下であることが好ましく、5mm以下であることがより好ましい。酸化アルミニウム粉末の密度は、α−アルミナの理論密度4g/cm3に近いものが原料充填時に有利である。そのため、使用する酸化アルミニウム粉末の密度は2g/cm3以上であることが好ましく、3g/cm3以上であることがより好ましい。なお、本実施形態において、平均粒径とは、積算値50%の粒度を意味し、たとえば、SALD−7000(株式会社島津製作所)などの粒度分布測定装置により測定することができる。 The aluminum oxide powder is aluminum oxide substantially composed of two elements of Al and O. Α-alumina (Al 2 O 3 ) having a material purity of about 99.95 to 99.998% is preferable. In addition to Al and O, Ti, Cr, Si, Ca, Mg, and the like may be included in accordance with the type of target sapphire single crystal. Among these, Si, Ca, Mg and the like can be inevitably contained as components of the sintering aid, but the content is desirably as small as possible. Moreover, when using an aluminum oxide powder, the particle size and density are not particularly limited, but for handling, for example, the particle size is preferably 10 mm or less, more preferably 5 mm or less. The density of the aluminum oxide powder is close to the theoretical density of 4 g / cm 3 of α-alumina when the raw material is filled. Therefore, the density of the aluminum oxide powder to be used is preferably 2 g / cm 3 or more, and more preferably 3 g / cm 3 or more. In the present embodiment, the average particle size means a particle size having an integrated value of 50%, and can be measured by a particle size distribution measuring device such as SALD-7000 (Shimadzu Corporation).
坩堝20内に酸化物単結晶の原料を入れた後に、真空ポンプで減圧しながら、空気を除去した後、不活性ガス(N2ガスやArガス)を流しながら坩堝20内でこの原料を溶かす。 After putting the raw material of the oxide single crystal in the crucible 20, after removing the air while reducing the pressure with a vacuum pump, the raw material is melted in the crucible 20 while flowing an inert gas (N 2 gas or Ar gas). .
加熱工程S1では、坩堝20に単結晶用原料を入れて、ヒーター30により坩堝20を加熱して単結晶用原料を溶融させることができる。単結晶用原料が融点に達するまでの加熱速度は、特に制限されるわけではないが、原料が不均一に融解する事で発生する突沸現象の発生を抑制するため、急速に加熱せずに長時間かけて徐々に加熱するほうがよい。そのため、例えば10時間以上、特に12時間以上かけて徐々に加熱することが望ましい。 In heating process S1, the raw material for single crystals can be put into the crucible 20, and the raw material for single crystals can be fuse | melted by heating the crucible 20 with the heater 30. FIG. The heating speed until the single crystal raw material reaches the melting point is not particularly limited. However, in order to suppress the occurrence of bumping phenomenon that occurs when the raw material melts non-uniformly, the heating speed is not increased rapidly. It is better to heat gradually over time. For this reason, it is desirable to gradually heat, for example, over 10 hours, particularly over 12 hours.
そして、単結晶用原料が融解した後も、炉内温度を単結晶用原料の融点よりも10℃〜20℃高い温度で加熱を継続することが好ましい。係る温度域で加熱を継続する時間は特に限定されるものではないが、例えば3時間以上継続することが好ましく、5時間以上継続することがより好ましい。このときの温度測定は、例えばヒーター30の外周にある断熱材40に差し込まれた熱電対(不図示)を用いて行うことができる。 Even after the single crystal raw material is melted, it is preferable to continue heating at a temperature in the furnace that is 10 ° C. to 20 ° C. higher than the melting point of the single crystal raw material. Although the time which continues heating in the temperature range which concerns is not specifically limited, For example, it is preferable to continue for 3 hours or more, and it is more preferable to continue for 5 hours or more. The temperature measurement at this time can be performed using, for example, a thermocouple (not shown) inserted into the heat insulating material 40 on the outer periphery of the heater 30.
設置工程S2は、円形リング22aの外周から放射状に延在した複数枚の整流板22bが設けられる整流部材22を配置する工程である。そして、坩堝20の融液面に整流部材22を配置することにより、融液面の中心に向って融液21が対流されるように制御する。その結果、融液21の対流が安定して融液面の中心に向かい、融液面の中心が最低温度位置となる。 The installation step S2 is a step of arranging the rectifying member 22 provided with a plurality of rectifying plates 22b extending radially from the outer periphery of the circular ring 22a. And by arrange | positioning the rectification | straightening member 22 to the melt surface of the crucible 20, it controls so that the melt 21 may be convected toward the center of a melt surface. As a result, the convection of the melt 21 is stably directed toward the center of the melt surface, and the center of the melt surface is the lowest temperature position.
育成工程S3は、坩堝20の軸心の上方に、酸化物単結晶の種結晶51が取り付けられた引上げ軸50を配置し、引上げ軸50に取り付けられた種結晶51を融液面の中心に接触することにより、酸化物単結晶を育成する工程である。具体的には、引上げ軸50に取り付けられた種結晶51を融液面に回転させながら下ろし、上述した融液面の中心が最低温度位置にこの種結晶51を浸漬させる。 In the growth step S3, a pulling shaft 50 to which a seed crystal 51 of an oxide single crystal is attached is arranged above the axis of the crucible 20, and the seed crystal 51 attached to the pulling shaft 50 is set at the center of the melt surface. This is a step of growing an oxide single crystal by contact. Specifically, the seed crystal 51 attached to the pulling shaft 50 is lowered while being rotated to the melt surface, and the seed crystal 51 is immersed at the minimum temperature position at the center of the melt surface described above.
検査工程S4は、酸化物単結晶が成長したことを検査する工程である。チャンバー10に設けられた覗き窓(不図示)から、酸化物単結晶が成長したことを確認する。もし、酸化物単結晶が成長していない状態で次工程である除去工程S5において整流部材22を取り外すと、対流が不均一となり融液面の中心がずれてしまう。そのため、後工程である引上げ工程S6において、酸化物単結晶を引上げても、引上げ軸50からずれて結晶が成長していき軸対称からずれた形状の結晶ができ、この結晶を再溶解させる必要が生じる。 The inspection step S4 is a step for inspecting that the oxide single crystal has grown. From a viewing window (not shown) provided in the chamber 10, it is confirmed that the oxide single crystal has grown. If the rectifying member 22 is removed in the next removal step S5 in a state where the oxide single crystal has not grown, the convection becomes non-uniform and the center of the melt surface shifts. Therefore, even if the oxide single crystal is pulled in the pulling step S6, which is a subsequent step, the crystal grows out of the pulling axis 50, and a crystal with a shape deviating from the axial symmetry is formed, and it is necessary to remelt the crystal. Occurs.
除去工程S5は、整流部材22を取り外す工程である。具体的には、整流部材22を支持する整流部材用引上げ軸23を鉛直方向に上昇させることで、整流部材22を取り外す。これにより、次工程である引上げ工程S6において、育成した酸化物単結晶を作製するのに、整流部材22が障害とならない。なお、整流部材用引上げ軸23の引上げ速度は、適宜調整される。 The removing step S5 is a step of removing the rectifying member 22. Specifically, the rectifying member 22 is removed by raising the rectifying member pulling shaft 23 that supports the rectifying member 22 in the vertical direction. Thereby, in the pulling-up process S6 which is the next process, the rectifying member 22 does not become an obstacle to producing the grown oxide single crystal. The pulling speed of the straightening member pulling shaft 23 is appropriately adjusted.
引上げ工程S6は、育成した酸化物単結晶を支持する引上げ軸50を上昇させる工程である。具体的には、酸化物単結晶を支持する引上げ軸50を、坩堝20を回転させるとともに、酸化物単結晶を反対方向に回転させて上昇させる。これにより、坩堝20内に内回りの融液21の流れを維持しつつ、育成した酸化物単結晶を作製することができる。 The pulling step S6 is a step of raising the pulling shaft 50 that supports the grown oxide single crystal. Specifically, the pulling shaft 50 that supports the oxide single crystal is raised by rotating the crucible 20 and rotating the oxide single crystal in the opposite direction. Thereby, the grown oxide single crystal can be produced while maintaining the flow of the inner melt 21 in the crucible 20.
育成する結晶の結晶形状の調節は、育成中の結晶重量を測定し、直径や育成速度などを計算によって導き出し、引上げ軸50の回転速度や引上げ速度を調整して行うことができる。種結晶51は例えば、0.2rpm〜20rpmで回転させるとよい。また、結晶重量を適当な時間間隔で測定し、その変化をフィードバックして原料の融液21の融液温度をコントロールできる。なお、育成工程S3により充分に単結晶が育成した後、除去工程S5を介して、坩堝11を支持軸により下降させて、育成した単結晶を支持する引上げ軸50を上昇させてもよい。 The crystal shape of the crystal to be grown can be adjusted by measuring the weight of the crystal being grown, deriving the diameter, growth speed, and the like by calculation, and adjusting the rotation speed and pulling speed of the pulling shaft 50. For example, the seed crystal 51 may be rotated at 0.2 rpm to 20 rpm. Further, the crystal weight can be measured at appropriate time intervals, and the change can be fed back to control the melt temperature of the raw material melt 21. Note that after the single crystal is sufficiently grown in the growing step S3, the crucible 11 may be lowered by the support shaft through the removing step S5, and the pulling shaft 50 that supports the grown single crystal may be raised.
このように、育成した単結晶を支持する引上げ軸50を上昇させることにより、育成した単結晶と融液21とを切り離すことで、酸化物単結晶を作製することができる。 Thus, by raising the pulling shaft 50 that supports the grown single crystal, the grown single crystal and the melt 21 are separated from each other, whereby an oxide single crystal can be produced.
[2−3.まとめ]
以上より、本実施形態に係る単結晶育成装置1は、チョクラルスキー法により、酸化物単結晶を製造する単結晶育成装置1であって、酸化物単結晶の原料を融解させた融液21を貯留する坩堝20と、坩堝20の周囲に配置され、酸化物単結晶の原料を加熱するヒーター30と、坩堝20の軸心の上方に、酸化物単結晶の種結晶51が取り付けられた引上げ軸50とを備える。そして、坩堝20の融液面には、円形リング22aの外周から放射状に延在した複数枚の整流板22bが設けられる整流部材22を配置する。
[2-3. Summary]
As described above, the single crystal growing apparatus 1 according to the present embodiment is a single crystal growing apparatus 1 that produces an oxide single crystal by the Czochralski method, and is a melt 21 in which a raw material of an oxide single crystal is melted. , A crucible 20 that is stored around the crucible 20, a heater 30 that heats the raw material of the oxide single crystal, and a pullup in which a seed crystal 51 of the oxide single crystal is attached above the axis of the crucible 20. A shaft 50. Then, on the melt surface of the crucible 20, a rectifying member 22 provided with a plurality of rectifying plates 22b extending radially from the outer periphery of the circular ring 22a is disposed.
また、本実施形態に係る単結晶の製造方法は、チョクラルスキー法により、酸化物単結晶を製造する酸化物単結晶の製造方法であって、酸化物単結晶の原料を、原料の融点を超える温度により、坩堝20内にて溶融した融液21の状態で保持する加熱工程S1と、円形リングの外周から放射状に延在した複数枚の整流板22bが設けられる整流部材22を配置する設置工程S2と、坩堝20の軸心の上方に、酸化物単結晶の種結晶51が取り付けられた引上げ軸50を配置し、種結晶51を融液面の中心に接触させることにより、酸化物単結晶を育成する育成工程S3と、整流部材22を取り外す除去工程S5と、酸化物単結晶を支持する引上げ軸50を、上昇させる引上げ工程S6とを有する。そして、設置工程S2では、坩堝20の融液面に整流部材22を配置することにより、融液面の中心に向って融液21が対流されるように制御する。 The method for producing a single crystal according to this embodiment is a method for producing an oxide single crystal by the Czochralski method, wherein the raw material for the oxide single crystal is adjusted to the melting point of the raw material. An installation in which a heating step S1 for holding the melt 21 melted in the crucible 20 at a temperature exceeding the temperature, and a rectifying member 22 provided with a plurality of rectifying plates 22b extending radially from the outer periphery of the circular ring are arranged. A pulling shaft 50 to which a seed crystal 51 of an oxide single crystal is attached is disposed above the axis of the step S2 and the crucible 20, and the seed crystal 51 is brought into contact with the center of the melt surface to thereby provide a single oxide. It has a growing step S3 for growing crystals, a removing step S5 for removing the rectifying member 22, and a pulling step S6 for lifting the pulling shaft 50 that supports the oxide single crystal. And in installation process S2, by arrange | positioning the rectification | straightening member 22 in the melt surface of the crucible 20, it controls so that the melt 21 is convected toward the center of a melt surface.
本実施形態では、整流部材22を融液面に配置することで、整流部材22に設けた複数枚の整流板22bにより、融液21の流れが安定して融液面の中心に向かうようになる。そして、整流部材22に備わる円形リング22aが種結晶51を浸漬するための領域を確保することで、この領域が融液内の最低温度となるので、確実に同じ状態で種付けができる。その結果、本実施形態では、形状の良好な結晶が安定して育成できる。 In the present embodiment, by arranging the flow regulating member 22 on the melt surface, the flow of the melt 21 is stably directed toward the center of the melt surface by the plurality of flow straightening plates 22b provided on the flow regulating member 22. Become. Since the circular ring 22a provided in the rectifying member 22 secures a region for immersing the seed crystal 51, this region becomes the lowest temperature in the melt, so that seeding can be reliably performed in the same state. As a result, in this embodiment, a crystal having a good shape can be stably grown.
以下に、実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、これらに制限されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples, but is not limited thereto.
(実施例1)
まず、実施例1では、図2(A)に示した単結晶育成装置1を用いて、図2(B)に示した坩堝20と強制対流を起こさせる8枚の整流板22bを備える整流部材22とを配置して、以下の形状の構成からなる単結晶育成装置1でシーディング時の温度分布を求めた。
・タングステン製坩堝:直径400mm×高さ540mm×厚さ2mm
・融液(酸化アルミニウム):坩堝内の融液面の高さ480mm
・種結晶:□20mm×長さ140mm
・円形リング:直径100mm×高さ5mm
・整流板(8枚):長さ130mm×深さ33mm×厚さ2mm
Example 1
First, in Example 1, using the single crystal growing apparatus 1 shown in FIG. 2A, a rectifying member including eight rectifying plates 22b that cause forced convection with the crucible 20 shown in FIG. 2B. 22 and the temperature distribution at the time of seeding was obtained with the single crystal growing apparatus 1 having the following configuration.
・ Tungsten crucible: diameter 400mm x height 540mm x thickness 2mm
-Melt (aluminum oxide): height of melt surface in crucible 480 mm
-Seed crystal: □ 20mm x length 140mm
・ Round ring: Diameter 100mm x Height 5mm
・ Rectifying plate (8 sheets): length 130mm x depth 33mm x thickness 2mm
酸化アルミニウムの融液面から整流板22bを液面から30mmの深さまで浸漬した状態で、種結晶51を種付けした。 The seed crystal 51 was seeded in a state where the rectifying plate 22b was immersed to a depth of 30 mm from the melt surface of the aluminum oxide.
図6(A)は実施例1における融液面上の温度分布を示す図であり、図6(B)は実施例1における融液面上の中央部における温度分布を示す拡大図である。図6(A)によれば、融液面上の温度分布が8つに画分され、どの画分も略同等のものであった。また、温度分布が融液面の外周部より中央部が低いので、融液21の対流が融液面の中心に向っていることも確認した。さらに、図6(B)によれば、黒い四角が、温度の最も低い部分と重なることを確認した。なお、図6(A)および図6(B)に表される黒い四角は、種結晶51を浸漬させている部分を示す。 6A is a diagram showing the temperature distribution on the melt surface in Example 1, and FIG. 6B is an enlarged view showing the temperature distribution in the center on the melt surface in Example 1. FIG. According to FIG. 6 (A), the temperature distribution on the melt surface was divided into eight, and all the fractions were substantially equivalent. It was also confirmed that the convection of the melt 21 was directed to the center of the melt surface because the temperature distribution was lower in the center than the outer peripheral portion of the melt surface. Furthermore, according to FIG. 6 (B), it was confirmed that the black square overlaps with the lowest temperature portion. Note that the black squares shown in FIGS. 6A and 6B indicate the part where the seed crystal 51 is immersed.
すなわち、種結晶51の端面のほぼ中央部に最低温度部となり、良好な結晶育成が可能であることが確認できた。 That is, it was confirmed that the lowest temperature portion was provided at almost the center of the end face of the seed crystal 51, and that good crystal growth was possible.
(比較例1)
次に、比較例1では、図1に示した単結晶育成装置1を用いて、整流部材22を挿入しないこと以外、実施例1と同様の構成とした。図7(A)は比較例1における融液面上の温度分布を示す図であり、図7(B)は比較例1における融液面上の中央部における温度分布を示す拡大図である。図7(A)によれば、融液面上の温度分布が6つに画分されているが、これらの画分が同等のものではなかった。また、図7(B)によれば、黒い四角が、温度の最も低い部分からずれていることを確認した。なお、図6(A)および図6(B)に表される黒い四角は、種結晶51を浸漬させている部分を示す。
(Comparative Example 1)
Next, in the comparative example 1, it was set as the structure similar to Example 1 except not using the rectification | straightening member 22 using the single crystal growth apparatus 1 shown in FIG. 7A is a diagram showing the temperature distribution on the melt surface in Comparative Example 1, and FIG. 7B is an enlarged view showing the temperature distribution in the center portion on the melt surface in Comparative Example 1. FIG. According to FIG. 7A, the temperature distribution on the melt surface is fractionated into six, but these fractions were not equivalent. Further, according to FIG. 7B, it was confirmed that the black square was shifted from the lowest temperature portion. Note that the black squares shown in FIGS. 6A and 6B indicate the part where the seed crystal 51 is immersed.
したがって、整流部材22を挿入しない場合、融液面の温度分布は図7(A)および図7(B)に示すようになり、温度中心が種結晶51の端面からずれており、結晶軸からずれた所から結晶が成長してしまうことを確認した。このまま継続すると回転軸からずれて結晶が成長していき軸対称からずれた形状の結晶ができた。このため、作成した結晶を再溶解させる必要があった。 Therefore, when the rectifying member 22 is not inserted, the temperature distribution on the melt surface is as shown in FIGS. 7A and 7B, the temperature center is shifted from the end face of the seed crystal 51, and from the crystal axis. It was confirmed that crystals grew from the shifted position. If it continued as it was, it shifted from the rotation axis and the crystal grew, and a crystal with a shape shifted from the axial symmetry was formed. For this reason, it was necessary to redissolve the prepared crystal.
(実施例に基づく考察)
実施例1および比較例1の結果より、坩堝20の融液面に整流部材22を配置することにより、融液面の中心に融液21の対流を向わせることができ、融液面の中心が最低温度位置となることを確認した。その結果、単結晶の収率悪化や歩留まりの低下を解消することができ、安定した種付けを行うことが可能であるといえる。
(Consideration based on Examples)
From the results of Example 1 and Comparative Example 1, by arranging the rectifying member 22 on the melt surface of the crucible 20, the convection of the melt 21 can be directed to the center of the melt surface. It was confirmed that the center was at the lowest temperature position. As a result, it can be said that the deterioration of the yield of single crystals and the decrease in yield can be eliminated, and stable seeding can be performed.
1 単結晶育成装置、10 チャンバー、20 坩堝、21 融液、22 整流部材、22a 円形リング、22b 整流板、22c 保持部材、23 整流部材用引上げ軸、30 ヒーター、40 断熱材、50 引上げ軸、51 種結晶、60 支持軸、61 支持台、100 単結晶育成装置、110 チャンバー、120 断熱材、130 ヒーター、140 坩堝、141 融液、150 坩堝台、160 坩堝軸、170 結晶軸、171 種結晶、S1 加熱工程、S2 設置工程、S3 育成工程、S4 検査工程、S5 除去工程、S6 引上げ工程 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single crystal growth apparatus, 10 chamber, 20 crucible, 21 melt, 22 rectifying member, 22a circular ring, 22b rectifying plate, 22c holding member, 23 pulling shaft for rectifying member, 30 heater, 40 heat insulating material, 50 pulling shaft, 51 seed crystal, 60 support shaft, 61 support base, 100 single crystal growth device, 110 chamber, 120 heat insulating material, 130 heater, 140 crucible, 141 melt, 150 crucible base, 160 crucible shaft, 170 crystal shaft, 171 seed crystal , S1 heating process, S2 installation process, S3 growing process, S4 inspection process, S5 removal process, S6 pulling process
Claims (9)
前記酸化物単結晶の原料を融解させた融液を貯留する坩堝と、
前記坩堝の周囲に配置され、前記酸化物単結晶の原料を加熱するヒーターと、
前記坩堝の軸心の上方に、前記酸化物単結晶の種結晶が取り付けられた引上げ軸とを備え、
前記坩堝の融液面には、円形リングの外周から放射状に延在した複数枚の整流板が設けられる整流部材を配置する単結晶育成装置。 A single crystal growing apparatus for producing an oxide single crystal by the Czochralski method,
A crucible for storing a melt obtained by melting the raw material of the oxide single crystal;
A heater that is disposed around the crucible and heats the raw material of the oxide single crystal;
A pulling shaft on which the seed crystal of the oxide single crystal is mounted above the crucible axis;
An apparatus for growing a single crystal, wherein a rectifying member provided with a plurality of rectifying plates extending radially from an outer periphery of a circular ring is disposed on a melt surface of the crucible.
前記酸化物単結晶の原料を、該原料の融点を超える温度により、坩堝内にて溶融した融液の状態で保持する加熱工程と、
円形リングの外周から放射状に延在した複数枚の整流板が設けられる整流部材を配置する設置工程と、
前記坩堝の軸心の上方に、前記酸化物単結晶の種結晶が取り付けられた引上げ軸を配置し、該種結晶を前記融液面の中心に接触させることにより、前記酸化物単結晶を育成する育成工程と、
前記整流部材を取り外す除去工程と、
前記酸化物単結晶を支持する前記引上げ軸を、上昇させる引上げ工程とを有し、
前記設置工程では、前記坩堝の融液面に前記整流部材を配置することにより、該融液面の中心に向って前記融液が対流されるように制御する単結晶の製造方法。 An oxide single crystal production method for producing an oxide single crystal by the Czochralski method,
A heating step of holding the raw material of the oxide single crystal in a melted state melted in a crucible at a temperature exceeding the melting point of the raw material;
An installation step of arranging a rectifying member provided with a plurality of rectifying plates extending radially from the outer periphery of the circular ring;
A pulling shaft to which the seed crystal of the oxide single crystal is attached is disposed above the center of the crucible, and the oxide single crystal is grown by bringing the seed crystal into contact with the center of the melt surface. A training process,
A removal step of removing the flow regulating member;
A pulling step of lifting the pulling shaft that supports the oxide single crystal,
In the installation step, a method for producing a single crystal that controls the melt to be convected toward the center of the melt surface by disposing the rectifying member on the melt surface of the crucible.
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