JP6464975B2 - Oxygen single crystal growth crucible and oxide single crystal growth method - Google Patents
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Description
本発明は、酸化物単結晶育成用坩堝および酸化物単結晶育成方法に関し、より詳しくは、サファイアなど酸化物単結晶の原料結晶を坩堝中で融解後、シーディングの条件出し作業を容易としうる酸化物単結晶育成用坩堝および酸化物単結晶育成方法に関する。 The present invention relates to a crucible for growing an oxide single crystal and a method for growing an oxide single crystal. More specifically, after melting a raw material crystal of an oxide single crystal such as sapphire in a crucible, it is possible to facilitate a conditioning operation for seeding. The present invention relates to a crucible for growing an oxide single crystal and a method for growing an oxide single crystal.
近年、省エネや省スペースなどの要求から、照明装置として白色LEDが広く用いられている。この白色LEDは、サファイア単結晶基板上にGaN系半導体を形成した青色LEDと、蛍光体とを組み合わせて構成される。このため、白色LEDの需要の増加に伴い、サファイア単結晶基板の需要も急激に増加している。また、白色LEDを一般照明用に用いるには、その低コスト化が必要とされるため、サファイア単結晶基板に対しても、低価格化が要望されている。 In recent years, white LEDs have been widely used as lighting devices due to demands for energy saving and space saving. This white LED is configured by combining a blue LED in which a GaN-based semiconductor is formed on a sapphire single crystal substrate and a phosphor. For this reason, with the increase in demand for white LEDs, the demand for sapphire single crystal substrates has also increased rapidly. Further, since the cost reduction is required to use the white LED for general illumination, the sapphire single crystal substrate is also required to be reduced in price.
一般に、サファイア単結晶基板は、サファイア原料融液(アルミナ融液)より育成したサファイア単結晶インゴットから、円盤状のウエーハを切り出すことによって製造される。サファイア単結晶の育成方法には、チョクラルスキー法(Czochralski Method、回転引き上げ法)やEFG法(Edge−defined Film−fed Growth Method、リボン状結晶成長法)に代表される、融液から単結晶を引き上げて固化させる引き上げ法と、垂直ブリッジマン法(Vertical Bridgman Method)やVGF法(Vertical Gradient Freeze Method、垂直温度傾斜凝固法)に代表されるサファイア原料融液を坩堝中で固化させる一方向凝固法などがある。 Generally, a sapphire single crystal substrate is manufactured by cutting out a disk-shaped wafer from a sapphire single crystal ingot grown from a sapphire raw material melt (alumina melt). As a method for growing a sapphire single crystal, a single crystal from a melt represented by the Czochralski method (Czochralski Method) or the EFG method (Edge-defined Film-fed Growth Method, ribbon-like crystal growth method) is used. Unidirectional solidification that solidifies sapphire raw material melt in a crucible represented by the pulling method that pulls up and solidifies, and the vertical Bridgman method (Vertical Bridgman Method) and the VGF method (Vertical Gradient Freeze Method). There are laws.
このうち、一方向凝固法は、育成されたサファイア単結晶を引き上げる必要がないため、結晶育成装置の小型化や簡略化ができ、育成する単結晶の育成方位の自由度が高く、c軸方向の基板を容易に得ることができ、さらには、直径6インチ(152.4mm)を超えるような大口径のサファイア単結晶の製造にも対応可能であるため、引き上げ法よりも優れているとされている。 Among these, the unidirectional solidification method does not require the grown sapphire single crystal to be pulled up, so that the crystal growth apparatus can be miniaturized and simplified, and the degree of freedom of the growth direction of the single crystal to be grown is high, and the c-axis direction The substrate can be easily obtained, and furthermore, it is possible to produce a large-diameter sapphire single crystal exceeding 6 inches (152.4 mm) in diameter. ing.
現在、一方向凝固法によるサファイア単結晶の製造技術の実用化が進められているが、一方向凝固法では、育成後に、坩堝からサファイア単結晶を取り出しており、坩堝材料とサファイアの線膨張率の関係によっては、冷却時の熱収縮によりサファイア単結晶が締め付けられるので、単結晶の取り出しに際し坩堝が破壊する、サファイア単結晶に欠陥が発生するといった問題が生じる。 Currently, sapphire single crystal manufacturing technology by unidirectional solidification method is being put into practical use. However, in unidirectional solidification method, after growing, sapphire single crystal is taken out from crucible, and the linear expansion coefficient of crucible material and sapphire Depending on the relationship, since the sapphire single crystal is tightened by the thermal contraction during cooling, there are problems that the crucible is broken when the single crystal is taken out and defects are generated in the sapphire single crystal.
また、サファイアの融点が約2040℃と高温であるために、従来、坩堝として高温耐久性に優れる高価な貴金属を使用せざるをえず、ランニングコストの低減を図ることが困難であった。
これらの問題に対して、坩堝の材料をタングステン(W)、モリブデン(Mo)またはW−Mo合金とすることが提案されている(特許文献1参照)。これらの材料は、高温耐久性があり、かつ、サファイアよりも線膨張率が小さいため、坩堝を破壊せずに育成後のサファイア単結晶を取り出すことができる。また、これらの材料は、貴金属に比べて安価であるため、ランニングコストの低減を図ることができる。
In addition, since the melting point of sapphire is as high as about 2040 ° C., it has been difficult to reduce the running cost because it has been necessary to use an expensive noble metal excellent in high temperature durability as a crucible.
In order to solve these problems, it has been proposed that the material of the crucible is tungsten (W), molybdenum (Mo), or a W—Mo alloy (see Patent Document 1). Since these materials have high-temperature durability and a linear expansion coefficient smaller than that of sapphire, the grown sapphire single crystal can be taken out without destroying the crucible. Moreover, since these materials are cheaper than noble metals, the running cost can be reduced.
一方、本出願人は、得られるサファイア単結晶の高さ(成長軸方向の長さ)に関わらず、開口端部が変形することがない、サファイア単結晶育成用坩堝を提案した(特許文献2参照)。この出願では、タングステンまたはタングステン−モリブデン合金からなり、開口端部の側壁の肉厚を一方向凝固法により得られるサファイア単結晶の軸方向の長さに対して、特定の式で表される範囲とし、かつ、開口端部の側壁の肉厚が最も薄くなるようにしている。 On the other hand, the present applicant has proposed a crucible for growing a sapphire single crystal in which the opening end is not deformed regardless of the height (the length in the growth axis direction) of the obtained sapphire single crystal (Patent Document 2). reference). In this application, a range expressed by a specific formula with respect to the axial length of a sapphire single crystal made of tungsten or a tungsten-molybdenum alloy and having a wall thickness at the opening end obtained by a unidirectional solidification method. In addition, the thickness of the side wall of the opening end is made the thinnest.
しかし、タングステンなどの坩堝を使用してサファイア単結晶を育成するには、最適な凸状の成長界面形状を維持して、シーディングを行うために炉内の温度勾配や、ヒータ出力や坩堝位置を微調整するが、装置構造上それら知見を得るための目視による調整が不可能なことからシーディングの条件出しが非常に難しかった。 However, in order to grow a sapphire single crystal using a crucible such as tungsten, the temperature gradient in the furnace, heater output and crucible position are maintained in order to perform seeding while maintaining the optimal convex growth interface shape. However, it was very difficult to determine the seeding conditions because it was impossible to make visual adjustments to obtain these findings in the device structure.
このような状況下、安価でランニングコストの低減が図れるだけでなく、シーディングの条件出し作業も容易としうる酸化物単結晶育成用坩堝が必要とされていた。 Under such circumstances, there has been a need for a crucible for growing an oxide single crystal that is not only inexpensive and can reduce the running cost but also facilitates the work of setting the seeding conditions.
本発明の目的は、上述した問題に鑑みて、サファイアなど酸化物単結晶の原料結晶を坩堝中で融解後、シーディングの条件出し作業を容易としうる酸化物単結晶育成用坩堝および酸化物単結晶育成方法を提供することにある。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide an oxide single crystal growing crucible and an oxide single crystal that can facilitate the process of setting seeding conditions after melting a raw material crystal of an oxide single crystal such as sapphire in a crucible. The object is to provide a crystal growth method.
本発明者は、上述した問題を解決するために鋭意研究を重ね、一方向凝固法によるサファイアなどの単結晶を製造する坩堝において、種結晶を収容するエリアの坩堝外周部に一定ピッチの溝加工を施し放熱部を形成したところ、ヒータ出力調整などにより種結晶の過剰融解することなく、高品質の単結晶を低コストで育成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventor has intensively studied to solve the above-mentioned problems, and in a crucible for producing a single crystal such as sapphire by a unidirectional solidification method, groove processing at a constant pitch is performed on the outer periphery of the crucible in the area containing the seed crystal. As a result, it was found that a high quality single crystal can be grown at a low cost without excessive melting of the seed crystal by adjusting the heater output, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明の第1の発明によれば、坩堝底部に種結晶を収容し、その上に原料結晶を充填して、一方向凝固法により酸化物単結晶を育成するための酸化物単結晶育成用坩堝であり、前記種結晶の収容エリアは、前記種結晶の上端が坩堝底から坩堝深さの10%〜20%の位置にあり、該収容エリアの坩堝外周部に溝加工を施して形成された溝とフィンによる放熱促進部が設けられ、かつ該放熱促進部の表面積が、溝とフィンがない場合の1.2倍以上であることを特徴とする酸化物単結晶育成用坩堝が提供される。 That is, according to the first invention of the present invention, an oxide single crystal for containing a seed crystal in a crucible bottom, filling a raw material crystal thereon, and growing the oxide single crystal by a unidirectional solidification method a growing crucible, containing area of the seed crystal, an upper end of the seed crystal is in the 10% to 20% of the position of the crucible depth from the bottom of the crucible, by grooving the crucible outer circumference of the housing area A crucible for growing an oxide single crystal, characterized in that a heat radiation promoting part is formed by the formed groove and fin, and the surface area of the heat radiation promoting part is 1.2 times or more of the case where there is no groove and fin. Provided.
また、本発明の第2の発明によれば、本発明の第1の発明において、前記フィンが、坩堝底に平行であるか、平行に対して10度以内の角度で傾斜していることを特徴とする酸化物単結晶育成用坩堝が提供される。 According to the second invention of the present invention, in the first invention of the present invention, the fin is parallel to the crucible bottom or inclined at an angle of 10 degrees or less with respect to the parallel. A crucible for growing an oxide single crystal is provided.
また、本発明の第3の発明によれば、本発明の第1又は2の発明において、前記溝の幅が2mm以上、かつフィンの幅が3mm以上であることを特徴とする酸化物単結晶育成用坩堝が提供される。 According to a third aspect of the present invention, the oxide single crystal according to the first or second aspect of the present invention is characterized in that the groove width is 2 mm or more and the fin width is 3 mm or more. A growing crucible is provided.
また、本発明の第4の発明によれば、本発明の第1〜3のいずれかの発明において、前記溝の深さが1〜5mmであることを特徴とする酸化物単結晶育成用坩堝が提供される。 According to a fourth aspect of the present invention, the oxide single crystal growing crucible according to any one of the first to third aspects of the present invention, wherein the groove has a depth of 1 to 5 mm. Is provided.
また、本発明の第5の発明によれば、本発明の第1〜4のいずれかの発明において、前記フィンの数が1〜15本であることを特徴とする酸化物単結晶育成用坩堝が提供される。 According to a fifth aspect of the present invention, the oxide single crystal growth crucible according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, wherein the number of fins is 1 to 15. Is provided.
また、本発明の第6の発明によれば、本発明の第1〜5の発明において、前記坩堝の材質が、W、MoまたはW−Mo合金のいずれかであることを特徴する酸化物単結晶育成用坩堝が提供される。 According to a sixth aspect of the present invention, in the first to fifth aspects of the present invention, the material of the crucible is any one of W, Mo, and a W—Mo alloy. A crucible for crystal growth is provided.
また、本発明の第7の発明によれば、一方向凝固法による酸化物単結晶の育成方法であって、本発明の第1〜6の発明のいずれかの酸化物単結晶育成用坩堝を使用し、坩堝内に種結晶と原料結晶を充填し、育成炉内のヒータ内に配置した後、加熱して原料結晶全体と少なくとも種結晶の一部とを融解し、その後、徐々に温度を下げることによって、種結晶の上に融液を順次結晶化させることを特徴とする酸化物単結晶の育成方法が提供される。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method for growing an oxide single crystal by a unidirectional solidification method, the crucible for growing an oxide single crystal according to any one of the first to sixth aspects of the present invention. The crucible is filled with the seed crystal and the raw material crystal and placed in the heater in the growth furnace, and then heated to melt the entire raw material crystal and at least a part of the seed crystal, and then gradually increase the temperature. By lowering, a method for growing an oxide single crystal is provided, in which a melt is sequentially crystallized on a seed crystal.
さらに、本発明の第8の発明によれば、本発明の第7の発明において、前記酸化物単結晶がサファイアであることを特徴とする酸化物単結晶の育成方法が提供される。 Furthermore, according to the eighth aspect of the present invention, there is provided the method for growing an oxide single crystal according to the seventh aspect of the present invention, wherein the oxide single crystal is sapphire.
本発明によれば、種結晶を収容するエリアの坩堝外周部に放熱を促す溝を設けているので、一方向凝固法によるサファイアなどの単結晶の育成に際して、従来、困難であったシーディング条件出しの作業を容易に行うことができる。この坩堝は、比較的安価で製造でき繰り返し使用できるため、単結晶の育成コストも低減しうるから、その工業的意義はきわめて大きい。 According to the present invention, since the groove for promoting heat dissipation is provided in the outer periphery of the crucible in the area for accommodating the seed crystal, the seeding conditions that have heretofore been difficult when growing single crystals such as sapphire by the unidirectional solidification method The unloading work can be performed easily. Since this crucible can be manufactured at a relatively low cost and can be used repeatedly, the cost for growing a single crystal can be reduced, so that its industrial significance is extremely large.
以下、本発明に係る酸化物単結晶育成用坩堝および酸化物単結晶育成方法の具体的な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、その目的を逸脱しない限りにおいて以下の実施の形態に限定されるものではない。 Hereinafter, specific embodiments of a crucible for growing an oxide single crystal and a method for growing an oxide single crystal according to the present invention will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments as long as it does not depart from the object.
1.坩堝
本発明は、坩堝底部に種結晶を収容し、その上に原料結晶を充填して、一方向凝固法により酸化物単結晶を育成するための酸化物単結晶育成用坩堝であり、前記種結晶の収容エリアは、前記種結晶の上端が坩堝底から坩堝深さの10%〜20%の位置にあり、該収容エリアの坩堝外周部に溝とフィンによる放熱促進部が設けられ、かつ該放熱促進部の表面積が、溝とフィンがない場合の1.2倍以上であることを特徴とする。
1. The present invention is a crucible for growing an oxide single crystal for containing a seed crystal at the bottom of a crucible, filling a raw material crystal thereon, and growing the oxide single crystal by a unidirectional solidification method. The crystal accommodation area is such that the upper end of the seed crystal is at a position of 10% to 20% of the crucible depth from the crucible bottom, and a heat radiation promoting portion by grooves and fins is provided on the outer periphery of the crucible, The surface area of the heat radiation promoting part is 1.2 times or more of the case where there are no grooves and fins.
本発明の坩堝は、図2に示されるように、カップ状の坩堝1であり、大きさは特に規定しないが、一般的な坩堝や育成炉の大きさ、坩堝の変形防止の観点から、高さが概ね200〜300mm程度、直径が100〜150mm程度となる。
The crucible of the present invention is a cup-
また、本発明では、種結晶の収容エリアの坩堝外周部に溝10とフィン11による放熱促進部が設けられ、特定の深さ、幅の溝と、特定の幅のフィンが所定のピッチで配置されている。該放熱促進部の表面積は、溝とフィンがない場合の1.2倍以上である必要がある。
該放熱促進部の表面積が、溝とフィンがない場合の1.2倍未満だと放熱性が不十分であり、一方、2.5倍を超えると、溝を深くしなければならないので強度の低下を招くことがある。好ましいのは、放熱促進部の表面積を溝とフィンがない場合の1.5〜2倍とすることである。
Further, in the present invention, the heat radiation promoting part by the
If the surface area of the heat radiation promoting part is less than 1.2 times that of the case where there are no grooves and fins, the heat dissipation is insufficient. On the other hand, if it exceeds 2.5 times, the groove must be deepened, May cause a drop. It is preferable that the surface area of the heat radiation promoting portion is 1.5 to 2 times that in the case where there are no grooves and fins.
これに対して、坩堝外周に溝を掘るのではなく、フィンだけを取り付けても放熱性を助長する効果が得られるが、フィンが坩堝から突出し坩堝の外周径より大きくなるので坩堝に段差が生じ、扱い辛くなる。 On the other hand, the effect of promoting heat dissipation is obtained even if only fins are attached instead of digging grooves on the outer periphery of the crucible, but since the fin protrudes from the crucible and becomes larger than the outer diameter of the crucible, a step occurs in the crucible. It becomes difficult to handle.
また、前記フィンは、坩堝底に平行であるか、平行に対して10度以内の角度で傾斜していることが好ましい。その理由は溝の形成が容易であり、外力に対して強度が安定しているためである。 The fins are preferably parallel to the crucible bottom or inclined at an angle of 10 degrees or less with respect to the parallel. The reason is that the formation of the groove is easy and the strength is stable against the external force.
前記溝やフィンのサイズは、種結晶の収容エリアの大きさにもよるが、溝の幅が2mm以上、かつフィンの幅が3mm以上であること、溝の深さが1〜5mmであることが好ましい。溝の幅が2mm以上、かつフィンの幅が3mm以上、溝の深さが1〜5mmであれば、十分な放熱性が期待できるし、加工が容易で強度も高い。この範囲よりも小さいと、加工が困難になり強度面でも問題が生じやすい。好ましい溝の幅は、2〜4mm、かつフィンの幅は3〜5mmである。また、より好ましい溝の深さは2〜5mmである。表面積を増やすために溝の深さを5mmより深くしたり、フィンの幅を3mmよりも小さくしたりすると坩堝自体の強度が低下する場合があり好ましくない。 The size of the grooves and fins depends on the size of the seed crystal accommodating area, but the groove width is 2 mm or more, the fin width is 3 mm or more, and the groove depth is 1 to 5 mm. Is preferred. If the groove width is 2 mm or more, the fin width is 3 mm or more, and the groove depth is 1 to 5 mm, sufficient heat dissipation can be expected, and the processing is easy and the strength is high. If it is smaller than this range, processing becomes difficult, and a problem is likely to occur in terms of strength. A preferable groove width is 2 to 4 mm, and a fin width is 3 to 5 mm. A more preferable groove depth is 2 to 5 mm. If the depth of the groove is made deeper than 5 mm or the width of the fin is made smaller than 3 mm in order to increase the surface area, the strength of the crucible itself may be lowered, which is not preferable.
前記フィンの数は、幅や溝のサイズにも関係するが、1〜15本であることが好ましい。フィンの数が1〜15本であれば、十分な放熱性と機械的強度を有する。溝の本数は、このフィンの数よりも1本多いものとなる。フィンのより好ましい数は、2〜12本である。 The number of fins is preferably 1 to 15 although it is related to the width and the size of the groove. If the number of fins is 1-15, it has sufficient heat dissipation and mechanical strength. The number of grooves is one more than the number of fins. A more preferable number of fins is 2 to 12.
坩堝の厚さは、開口端部では、複数回の結晶育成における坩堝の変形を防止することができれば、底部よりも薄くても差し支えない。むしろ坩堝の変形防止を優先しすぎると、原材料使用量の増加に伴い、坩堝の製造コストが増加し、坩堝が重くなって取扱いが困難となる。
また、本発明の坩堝においては、育成後の単結晶を取出しやすくするために、坩堝の底面側から開口端部側に向かって、側壁の内周面を例えば0.8°〜3.0°程度のテーパ角で拡径させてもよい。テーパ角が0.8°未満では、効果が不十分で育成後の単結晶を取り出す際に、単結晶に割れなどの欠陥が生じる場合がある。一方、テーパ角が3.0°を超えると、育成後の単結晶の取り出しは容易となるものの、品質が低下して製品歩留まりが悪化することがある。
The thickness of the crucible may be thinner at the opening end than at the bottom as long as deformation of the crucible can be prevented in a plurality of crystal growths. If too much priority is given to preventing deformation of the crucible, the production cost of the crucible increases with an increase in the amount of raw material used, making the crucible heavy and difficult to handle.
Further, in the crucible of the present invention, in order to make it easy to take out the grown single crystal, the inner peripheral surface of the side wall is, for example, 0.8 ° to 3.0 ° from the bottom surface side of the crucible toward the open end side. The diameter may be increased by a taper angle of the order. If the taper angle is less than 0.8 °, the effect is insufficient and defects such as cracks may occur in the single crystal when the grown single crystal is taken out. On the other hand, if the taper angle exceeds 3.0 °, the single crystal after the growth can be easily taken out, but the quality may deteriorate and the product yield may deteriorate.
本発明の坩堝は、材質によって制限されないが、W、MoまたはW−Mo合金のいずれかであることが好ましい。また、サファイアを育成する場合、育成方向であるc軸に垂直な方向の熱膨張係数が、2050℃において8×10−6/℃程度であるため、2040℃の熱膨張係数が、サファイア単結晶の熱膨張係数よりも十分に低いことが必要となる。 The crucible of the present invention is not limited by the material, but is preferably W, Mo, or a W—Mo alloy. When sapphire is grown, the coefficient of thermal expansion in the direction perpendicular to the c-axis, which is the growth direction, is about 8 × 10 −6 / ° C. at 2050 ° C., so that the coefficient of thermal expansion at 2040 ° C. is a sapphire single crystal. It is necessary to be sufficiently lower than the thermal expansion coefficient.
このため、コストや加工性などを考慮すると、タングステン(融点:3422℃、2050℃における熱膨張係数:7.0×10−6/℃)が好ましく、モリブデン(融点:2620℃)も融点がサファイアの融点(約2040℃)よりも高く、高温耐久性を有しているので好ましい。 Therefore, in consideration of cost, workability, etc., tungsten (melting point: 3422 ° C., thermal expansion coefficient at 2050 ° C .: 7.0 × 10 −6 / ° C.) is preferable, and molybdenum (melting point: 2620 ° C.) also has a melting point of sapphire. Is higher than the melting point (about 2040 ° C.), and is preferable because it has high temperature durability.
したがって、タングステン−モリブデン合金も融点が十分に高く、かつ、サファイアよりも十分に低い熱膨張係数を有するため、本発明のサファイア単結晶育成用坩堝の材料とすることができる。タングステン−モリブデン合金の場合、タングステンの含有率を好ましくは30質量%以上、より好ましくは50質量%以上、さらに好ましくは60質量%以上とするのがより好ましい。
タングステンの含有率が30質量%未満では、タングステン−モリブデン合金と、サファイアとの熱膨張係数との差を十分に大きくできないため、坩堝の内周面のテーパ角が小さい場合に、坩堝の収縮に起因してサファイア単結晶の締め付けが生じ、固化後のサファイア単結晶を坩堝から、容易に取り出せなくなる場合がある。
Therefore, since the tungsten-molybdenum alloy also has a sufficiently high melting point and a thermal expansion coefficient sufficiently lower than that of sapphire, it can be used as a material for a crucible for growing a sapphire single crystal of the present invention. In the case of a tungsten-molybdenum alloy, the content of tungsten is preferably 30% by mass or more, more preferably 50% by mass or more, and still more preferably 60% by mass or more.
If the tungsten content is less than 30% by mass, the difference between the thermal expansion coefficients of the tungsten-molybdenum alloy and sapphire cannot be sufficiently increased. As a result, the sapphire single crystal is tightened, and the solidified sapphire single crystal may not be easily taken out from the crucible.
2.酸化物単結晶の育成方法
本発明は、一方向凝固法による酸化物単結晶の育成方法であって、前記本発明の酸化物単結晶育成用坩堝を使用し、坩堝内に種結晶と原料結晶を充填し、育成炉内のヒータ内に配置した後、加熱して原料結晶全体と少なくとも種結晶の一部とを融解し、その後、徐々に温度を下げることによって、種結晶の上に融液を順次結晶化させることを特徴とする。
2. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for growing an oxide single crystal by a unidirectional solidification method, using the crucible for growing an oxide single crystal according to the present invention, and a seed crystal and a raw material crystal in the crucible. And then placed in the heater in the growth furnace, heated to melt the whole raw material crystal and at least part of the seed crystal, and then gradually lower the temperature to melt the melt on the seed crystal. Are sequentially crystallized.
前記酸化物単結晶としては、その種類によって制限されないが、サファイアであることが好ましい。 The oxide single crystal is not limited by its type, but is preferably sapphire.
図1にサファイア単結晶の育成装置の概略図を示した。本実施形態に係るサファイア単結晶の育成装置は、公知の縦型温度勾配凝固法によってサファイア単結晶を製造する育成炉6を備えている。育成炉6は、筒状のチャンバー2の内側に、坩堝1とヒータ5が設置されて、その周囲を断熱材3が取り巻くように構成される。
FIG. 1 shows a schematic diagram of an apparatus for growing a sapphire single crystal. The apparatus for growing a sapphire single crystal according to this embodiment includes a
なお、育成炉6の寸法は、製造する単結晶の大きさにも依るが、例えば直径0.5〜2m、高さ1〜3m程度である。育成炉6内には、図示しないが開口部が2箇所設けられており、不活性ガスが給排され、結晶育成時には、チャンバー2内は不活性ガスで満たされる。不活性ガスは特に制限されないが、好適にはアルゴンガスが使用される。なお、図示しないが、育成炉6内には、坩堝底部下側に温度を計測する温度計が設置されている。
The size of the
坩堝1はカップ状に形成されており、坩堝支持軸上に保持されている。坩堝内には底部に種結晶、その上に原料結晶が積み重ねられて収納される。断熱材3の内側に設置されたヒータ5によってホットゾーン4が形成され、その中の坩堝1が加熱される。ヒータ5への投入電力量を制御することによって、ホットゾーン4内に上が高く下が低い温度勾配が生じる。坩堝1は坩堝支持軸9によって軸線周りに回転させることにより、ホットゾーン4内で回転させても良い。
The
上記のように構成された育成装置を用いて、坩堝1内に種結晶8と原料結晶7を収納し、育成炉6内に坩堝1を配置してヒータ5により加熱して種結晶の原料に近接する一部と原料を融解し、その後、徐々に温度を下げることによって、種結晶の上に融液を順次結晶化させ、ヒータ5への投入電力を調整して所望の単結晶を育成する。
Using the growth apparatus configured as described above, the
従来、たとえば、ヒータ出力を高めに調整しすぎると種結晶が過剰融解もしくは全融解され、その状態で育成された結晶は種結晶からの方位を損失しているため多結晶となり、クラックが発生しやすくなることが多かった。一度、クラックが発生してしまった結晶は坩堝から取り出すことが非常に困難であり、その坩堝は使用不可となる。坩堝は高価であり、また作製日数も2か月程度必要となり、シーディングの条件出しには種結晶を融解しすぎないよう段階的に試験を重ねるなど、時間を要する作業となっていた。 Conventionally, for example, if the heater output is adjusted too high, the seed crystal is excessively melted or totally melted, and the crystal grown in that state loses the orientation from the seed crystal, resulting in polycrystals and cracks. It was often easier. Once the crack has occurred, it is very difficult to take out the crystal from the crucible, and the crucible cannot be used. The crucible is expensive and requires about two months of production, and time-consuming work, such as repeated tests in stages so as not to melt the seed crystal, is necessary to determine the seeding conditions.
ところが、本発明では、一方向凝固法による単結晶の育成に際して、前記のように、種結晶を収容するエリアの坩堝外周部に放熱を促す溝とフィンを設けた特定の坩堝を用いる。すなわち、酸化物単結晶の育成用坩堝として、前記種結晶の収容エリアの坩堝外周部に溝とフィンによる放熱促進部が設けられ、かつ該放熱促進部の表面積が、溝とフィンがない場合の1.2倍以上となるようにしている。
そのためヒータ出力を高めに調整しすぎても、種結晶が過剰融解もしくは全融解されるのを回避できることになり、従来困難であったシーディング条件出しの作業が容易に行えるだけでなく、その状態で育成された結晶は種結晶からの方位を維持しているため単結晶となり、クラックも発生しにくくなる。
However, in the present invention, when growing a single crystal by the unidirectional solidification method, as described above, a specific crucible provided with grooves and fins for promoting heat dissipation is used on the outer periphery of the crucible in the area containing the seed crystal. That is, as a crucible for growing an oxide single crystal, a heat dissipation promoting portion by a groove and a fin is provided on the outer periphery of the crucible in the seed crystal accommodation area, and the surface area of the heat dissipation promoting portion is not provided by a groove and a fin. 1.2 times or more.
Therefore, even if the heater output is adjusted too high, it is possible to avoid over-melting or total melting of the seed crystal, and not only can the work of setting the seeding conditions, which was difficult in the past, be performed easily, but Since the crystal grown in (1) maintains the orientation from the seed crystal, it becomes a single crystal and cracks are less likely to occur.
以下に、本発明の実施例及び比較例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in further detail below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.
なお、種結晶の融解具合は、透明の容器にジヨードメタンを入れ、その中に得られた結晶を浸漬させ、観察に不必要な屈折などを取り除いた状態で種結晶の未融解高さを測定し評価した。なお適正な未融解高さは35〜45mmで「○」、未融解高さが35mm未満の過融解が「△」、種結晶が全融解されたものについては「×」、逆に未融解高さが46mm以上の溶融不足のものは「−」と判定した。 The seed crystal was melted by placing diiodomethane in a transparent container, immersing the obtained crystal in it, and measuring the unmelted height of the seed crystal in a state where refraction unnecessary for observation was removed. evaluated. The appropriate unmelted height is 35 to 45 mm, “◯”, overmelted with an unmelted height of less than 35 mm is “△”, the seed crystal is completely melted with “×”, and conversely the unmelted height Those with a melting shortage of 46 mm or more were determined as “−”.
(実施例1)
坩堝に種結晶(φ150×50mmH)を配置し、その上には原料結晶となるアルミナ(サファイア多結晶)を3.5kg充填し、育成炉の支持軸上に設置した。
坩堝として図2に示すタングステン製の坩堝(外径180mm、深さ385mm、底部内径152mm、開口部内径160mm、開口部厚み10mmで底部から開口部に向かって1°の傾斜で拡径)に種結晶を収容するエリアの坩堝外径部50mm幅に溝を13段(フィン幅:3mm、溝幅:2mm、溝の深さ:1mm)としたものを用いた。
その後、チャンバーを密封し、0.1Pa程度まで真空引きし、5L/分の流量でアルゴンガスを導入した。この状態で、原料の表面温度が2040℃となるまで加熱した後、ヒータ出力を0.1kW上昇させ、シーディング(約6時間程度放置する)を行った。その後、ヒータ出力を徐々に下げながら0.2mm/hrの速さで育成し、約12hrの冷却を行った後、坩堝から結晶を取り出し、種結晶の融解具合を観察した。種結晶の融解具合に関する結果を表1に示した。
同様な実験を、原料の表面温度が2040℃となるまで加熱した後、ヒータ出力を0.1kWずつ上昇させ、シーディング(約6時間程度放置する)を行う要領で、ヒータ出力を1.0kW上昇させるまで繰り返し行った。
Example 1
A seed crystal (φ150 × 50 mmH) was placed in the crucible, and 3.5 kg of alumina (sapphire polycrystal) serving as a raw material crystal was filled on the crucible and placed on the support shaft of the growth furnace.
As a crucible, a seed made of tungsten shown in FIG. 2 (outer diameter 180 mm, depth 385 mm, bottom inner diameter 152 mm, opening inner diameter 160 mm, opening
Thereafter, the chamber was sealed, evacuated to about 0.1 Pa, and argon gas was introduced at a flow rate of 5 L / min. In this state, after heating until the surface temperature of the raw material reached 2040 ° C., the heater output was increased by 0.1 kW, and seeding (leaving for about 6 hours) was performed. Then, it was grown at a speed of 0.2 mm / hr while gradually reducing the heater output, cooled about 12 hr, the crystal was taken out from the crucible, and the melting state of the seed crystal was observed. The results relating to the melting state of the seed crystals are shown in Table 1.
The same experiment was conducted until the surface temperature of the raw material reached 2040 ° C., then the heater output was increased by 0.1 kW and seeding (leaving for about 6 hours) was performed, and the heater output was 1.0 kW. Repeated until increased.
(実施例2〜4)
上記実施例1と同様にして、溝の深さのみを3,5,7mmと変えた坩堝を用いて、一連の実験を繰り返した。種結晶の融解具合に関する結果を表1に示した。
(Examples 2 to 4)
In the same manner as in Example 1, a series of experiments were repeated using a crucible in which only the groove depth was changed to 3, 5, and 7 mm. The results relating to the melting state of the seed crystals are shown in Table 1.
(比較例1)
上記実施例1に対して、溝加工なしの従来技術の坩堝を用いて、同様に実験した。種結晶の融解具合に関する結果を表1に示した。
(Comparative Example 1)
The same experiment as in Example 1 was performed using a conventional crucible without groove processing. The results relating to the melting state of the seed crystals are shown in Table 1.
(実施例5,6)
坩堝の材質をモリブデンにした場合、Mo/W合金(50/50wt%)にした場合について、溝加工の水準を溝の深さ5mmの条件で、実施例1と同様に実験した。種結晶の融解具合に関する結果を表2に示した。
(Examples 5 and 6)
In the case where the material of the crucible was molybdenum and the case was a Mo / W alloy (50/50 wt%), the experiment was performed in the same manner as in Example 1 under the condition that the groove processing level was 5 mm. Table 2 shows the results regarding the melting state of the seed crystals.
「評価」
表1に示したとおり、従来使用していた溝のない坩堝を用いると、比較例1のように、原料融解からのヒータ出力を0.7kW上昇させたときに種結晶も全て融解してしまい、○レベルのものが3個と少なかった。
"Evaluation"
As shown in Table 1, if a crucible without grooves, which has been used in the past, is used, as in Comparative Example 1, when the heater output from the raw material melting is increased by 0.7 kW, the seed crystals are all melted. There were few things of ○ level.
これに対し、実施例1では、深さ1mmの溝を設けた坩堝を用いたので、原料融解からのヒータ出力を0.7kW上昇させたときに種結晶の融解が抑制され、△が増え改善効果があった。さらに、実施例2〜4のように、溝が深くなるにつれ、○レベルが増す傾向を示し、深さ5mmの溝では約1.98倍と○レベルの範囲が広くなった。また深さ7mmの溝では、深さ5mmの溝の場合と同様の効果が得られたが、坩堝強度の低下が懸念される。
また、坩堝の材質は、表2に示したとおり、Wだけでなく、実施例5,6のMo/W合金(50/50wt%)、Moの場合でも同様で材質による差は見られず、いずれも坩堝として使用可能であることが分かる。
On the other hand, in Example 1, since a crucible provided with a groove having a depth of 1 mm was used, when the heater output from the raw material melting was increased by 0.7 kW, melting of the seed crystal was suppressed, and Δ was increased and improved. There was an effect. Further, as in Examples 2 to 4, as the groove became deeper, the level of ◯ showed a tendency to increase, and in the groove having a depth of 5 mm, the range of the level ◯ increased by about 1.98 times. Further, in the groove having a depth of 7 mm, the same effect as in the case of the groove having a depth of 5 mm was obtained, but there is a concern that the strength of the crucible may be reduced.
Further, as shown in Table 2, the material of the crucible is not only W, but also in the case of Mo / W alloy (50/50 wt%) of Examples 5 and 6, Mo, and the difference depending on the material is not seen. It can be seen that both can be used as a crucible.
本発明の坩堝は、照明装置の部品として広く用いられている青色LEDの材料、特にサファイア単結晶の製造に用いることができ、サファイア単結晶以外にも一方向凝固法により育成される酸化物単結晶であれば、その製造にも使用できる。 The crucible of the present invention can be used for the production of blue LED materials, particularly sapphire single crystals, which are widely used as parts of lighting devices. In addition to sapphire single crystals, oxide single crystals grown by a unidirectional solidification method can be used. If it is a crystal, it can also be used for its production.
1 坩堝
2 チャンバー
3 断熱材
4 ホットゾーン
5 ヒータ
6 育成炉
7 原料結晶
8 種結晶
9 坩堝支持軸
10 溝
11 フィン
1
Claims (8)
前記種結晶の収容エリアは、前記種結晶の上端が坩堝底から坩堝深さの10%〜20%の位置にあり、該収容エリアの坩堝外周部に溝加工を施して形成された溝とフィンによる放熱促進部が設けられ、かつ該放熱促進部の表面積が、溝とフィンがない場合の1.2倍以上であることを特徴とする酸化物単結晶育成用坩堝。 A crucible for growing an oxide single crystal for containing a seed crystal at the bottom of a crucible, filling a raw material crystal thereon, and growing an oxide single crystal by a unidirectional solidification method,
The seed crystal storage area has an upper end of the seed crystal 10% to 20% of the crucible depth from the crucible bottom, and grooves and fins formed by grooving the crucible outer periphery of the storage area. A crucible for growing an oxide single crystal, characterized in that a heat radiation promoting part is provided and the surface area of the heat radiation promoting part is 1.2 times or more that of a groove and no fin.
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