JP6874473B2 - Single crystal growing device - Google Patents
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Description
本発明は、チョクラルスキー法による酸化物単結晶の育成装置に係り、特に加熱装置として高周波誘導コイルを用いた単結晶育成装置の改良に関するものである。 The present invention relates to an oxide single crystal growing device by the Czochralski method, and particularly relates to an improvement of a single crystal growing device using a high frequency induction coil as a heating device.
酸化物単結晶の製造方法の1つとして、従来、チョクラルスキー法が用いられており、このチョクラルスキー法による酸化物単結晶の製造には、特許文献1に示された単結晶育成装置(図1参照)が適用される。この単結晶育成装置において、坩堝aの周囲にはアルミナ等で構成された炉材b(保温材として作用する)が形成され、また、炉材bの外側には加熱装置としての高周波誘導コイルcが配置されており、上記坩堝aに投入された材料が高周波誘導加熱により溶融される。更に、坩堝aの上方には材料融液から単結晶を回転させながら引き上げるための引き上げ装置dが配置されており、炉材bの上方は遮蔽板eで遮蔽され、かつ、遮蔽板eの一部に観測用窓fが設けられている。
Conventionally, the Czochralski method has been used as one of the methods for producing an oxide single crystal, and the single crystal growing apparatus shown in
図1に示す単結晶育成装置を用いて酸化物単結晶を育成するには、坩堝a内に酸化物単結晶の材料を投入し、高周波誘導コイルcによって坩堝aを誘導加熱し、この熱により材料を溶融して融液を得る。得られた融液に種結晶を接触させ、種結晶を上記引き上げ装置dで回転させながら鉛直方向に引き上げる。そして、単結晶の育成を行うために、まずネック部と呼ばれる種結晶と同程度あるいはこれより小さい径の単結晶が引き上げられ、次に、回転数や引き上げ速度を調整することにより、ネック部の結晶径から徐々に所望の結晶径まで大きくして肩部と呼ばれる部分が形成される。その後、所望の結晶径となるように加熱装置の高周波出力を調整しながら、直胴部と呼ばれる部分が形成される。最後に、育成結晶を融液から切り離して徐冷することにより、酸化物単結晶が得られる。 In order to grow an oxide single crystal using the single crystal growing apparatus shown in FIG. 1, the material of the oxide single crystal is put into the crucible a, the crucible a is induced and heated by the high frequency induction coil c, and the heat is used to induce and heat the crucible a. The material is melted to obtain a melt. The seed crystal is brought into contact with the obtained melt, and the seed crystal is pulled up in the vertical direction while being rotated by the pulling device d. Then, in order to grow the single crystal, a single crystal having a diameter similar to or smaller than that of the seed crystal called the neck portion is first pulled up, and then the number of rotations and the pulling speed are adjusted to adjust the number of rotations and the pulling speed of the neck portion. A portion called a shoulder is formed by gradually increasing the crystal diameter from the crystal diameter to a desired crystal diameter. After that, a portion called a straight body portion is formed while adjusting the high frequency output of the heating device so as to have a desired crystal diameter. Finally, the grown crystal is separated from the melt and slowly cooled to obtain an oxide single crystal.
ところで、上記単結晶育成装置を用いて酸化物単結晶を育成する場合、高周波誘導コイルcで加熱されるのは坩堝a側壁の外周部で、熱せられた坩堝a側壁の外周部により原料が加熱されるため、坩堝a側壁近傍の融液温度は高くなるが、坩堝a中心部の融液温度は低くなる。この結果、育成される結晶の外周部と中心部とで結晶成長速度に差が生じ、結晶の下部側は坩堝aの底方向に向かって逆円錐状に成長する。そして、結晶の下部側が逆円錐状に成長すると、成長先端が坩堝a底に到達して接触してしまうので、ロードセル等の重量センサによる結晶重量の正確な測定が不可能となり、安定した形状の結晶が得られなくなることがある。 By the way, when growing an oxide single crystal using the above-mentioned single crystal growing apparatus, it is the outer peripheral portion of the crucible a side wall that is heated by the high-frequency induction coil c, and the raw material is heated by the outer peripheral portion of the heated crucible a side wall. Therefore, the melt temperature in the vicinity of the side wall of the crucible a becomes high, but the melt temperature in the center of the crucible a becomes low. As a result, a difference in crystal growth rate occurs between the outer peripheral portion and the central portion of the crystal to be grown, and the lower side of the crystal grows in an inverted conical shape toward the bottom of the crucible a. When the lower side of the crystal grows in an inverted conical shape, the growth tip reaches the bottom of the crucible a and comes into contact with the crystal, making it impossible to accurately measure the crystal weight with a weight sensor such as a load cell, resulting in a stable shape. Crystals may not be obtained.
また、結晶育成の終了後において結晶を融液から切り離すため結晶を引き上げるが、逆円錐状部分の高さ(以下「凸度」と記す)が高いと引き上げ距離が長くなり、その結果、高周波誘導コイル内にある坩堝の領域から結晶が外れてしまうことになる。こうした場合、結晶は急激に冷却されて割れてしまう問題が起こる。更に、凸度の大きい結晶から切り出した基板は中央部と外周部の成長時期が異なるため、歪みが大きいという問題があった。 In addition, after the crystal growth is completed, the crystal is pulled up to separate the crystal from the melt, but if the height of the inverted conical portion (hereinafter referred to as "convexity") is high, the pulling distance becomes long, and as a result, high frequency induction The crystal will come off from the crucible area inside the coil. In such a case, there is a problem that the crystal is rapidly cooled and cracked. Further, the substrate cut out from the crystal having a large convexity has a problem that the strain is large because the growth time of the central portion and the outer peripheral portion is different.
育成した単結晶をまっすぐに長く引き上げるには、軸方向(結晶の引き上げ方向)の温度勾配を大きくとる必要があるが、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等の酸化物単結晶は大きな温度勾配による熱歪によってクラックが発生し易いため、坩堝の回りを耐火物(保温材として作用する)で囲み、かつ、坩堝または耐火物の端部上に、坩堝の上方側における温度勾配を適切に保つためのアフターヒーターを配置する構造が一般的となっている(特許文献2参照)。そして、特許文献2によれば、坩堝端部上に円筒状のアフターヒーターを配置すると、育成された結晶にクラックの発生がなく、欠陥の少ない良質な結晶が得られると記載されている。
In order to pull the grown single crystal straight and long, it is necessary to take a large temperature gradient in the axial direction (the direction of pulling the crystal), but oxide single crystals such as lithium tantalate and lithium niobate are heated by a large temperature gradient. Since cracks are likely to occur due to strain, the crucible should be surrounded by a fireproof material (acting as a heat insulating material), and the temperature gradient on the upper side of the crucible should be appropriately maintained on the end of the crucible or the fireproof material. The structure in which the afterheater is arranged is common (see Patent Document 2). Then, according to
また、酸化物単結晶を育成する場合、単結晶の育成と共に原料融液の液面が低下するため、高周波誘導で加熱される坩堝の内側壁面と原料融液との接触面積が減少し、原料融液に供給される熱量が減少する。そして、坩堝の底部は誘導加熱され難いため、原料液面の低下と共に熱容量が小さくなり、供給される熱量も減少するので坩堝の底部から凝固が始まる。凝固が始まると融液の対流に異常を来たし、単結晶が均質な形状で育成できなくなり、ラセン状の成長が起る傾向が顕著となる。そして、原料融液の液面が更に低下し、原料に供給される熱量が更に減少すると凝固物が大きくなり、ついには育成している単結晶と坩堝底部からの凝固物がぶつかって、育成中における単結晶の種結晶部で折れてしまい、育成中の単結晶が落下する問題もあった。 Further, when growing an oxide single crystal, the liquid level of the raw material melt decreases as the single crystal grows, so that the contact area between the inner wall surface of the crucible heated by high frequency induction and the raw material melt decreases, and the raw material The amount of heat supplied to the melt is reduced. Since the bottom of the crucible is difficult to be induced and heated, the heat capacity decreases as the raw material liquid level decreases, and the amount of heat supplied also decreases, so that solidification starts from the bottom of the crucible. When solidification starts, the convection of the melt becomes abnormal, the single crystal cannot grow in a homogeneous shape, and the tendency for spiral growth to occur becomes remarkable. Then, when the liquid level of the raw material melt is further lowered and the amount of heat supplied to the raw material is further reduced, the coagulated product becomes large, and finally the growing single crystal collides with the coagulated product from the bottom of the crucible and is being grown. There was also a problem that the single crystal being grown was dropped due to breakage at the seed crystal part of the single crystal in.
そこで、これ等問題を解消するため、特許文献3では、図2(A)に示す貴金属製坩堝aの外側底面部に、図2(B)〜(C)に示す貴金属製物体(以下「コップ状円筒」若しくは「コップ状円筒加熱体」と記す)gを設置する方法が提案されている。すなわち、図2(A)に示すように、高周波誘導コイルcにより貴金属製坩堝aに高周波を誘導して坩堝a内の原料を加熱溶融し、単結晶を引き上ける際、上記コップ状円筒gに高周波を誘導して該コップ状円筒gを加熱し、その熱で坩堝aの底部を加熱して坩堝a内底部における原料融液の凝固を防止し、均質形状の単結晶育成を行う方法を提案している。
Therefore, in order to solve these problems, in
また、サファイア単結晶育成装置に係る特許文献4では、坩堝台hを介して貴金属製の結晶育成用坩堝aが収容された図3に示す耐火性坩堝(保温材として作用する)bの外側底面部に金属製の筒状ヒーターiを設置し、高周波誘導により筒状ヒーターiを発熱させて上記結晶育成用坩堝a内の原料融液を坩堝底から加熱する方法を提案している。すなわち、筒状ヒーターiから上記結晶育成用坩堝aに伝達される熱量を制御することで、育成されるサファイア単結晶の下部側における逆円錐状部分の高さ、すなわち「凸度」が低下される方法を提案している。
Further, in
従来の単結晶育成装置を用い、高周波誘導コイルで貴金属製の結晶育成用坩堝に高周波を誘導して結晶育成用坩堝内の原料を加熱溶融する際、坩堝側壁やアフターヒーターは誘導加熱されるが、坩堝の底部は誘導加熱され難いため、坩堝底部からの原料凝固やそれを原因とする融液の対流異常、単結晶の不均質な成長、原料凝固物と単結晶の衝突等が発生する。これ等の発生を抑制するため、特許文献3では、結晶育成用坩堝の外側底面部に高周波誘導で発熱するコップ状円筒を設置する方法を提案し、特許文献4では、結晶育成用坩堝が収容された耐火性坩堝(保温材として作用する)の外側底面部に金属製筒状ヒーターを設置する方法を提案している。
When a conventional single crystal growing device is used to induce a high frequency to a noble metal crystal growing crucible with a high frequency induction coil to heat and melt the raw material in the crystal growing crucible, the crucible side wall and the afterheater are induced and heated. Since the bottom of the crucible is difficult to be induced and heated, solidification of the raw material from the bottom of the crucible, abnormal convection of the melt caused by the coagulation, heterogeneous growth of the single crystal, collision between the solidified raw material and the single crystal, etc. occur. In order to suppress the occurrence of these,
そこで、本発明者等は、結晶育成用坩堝の外側底面部にコップ状円筒を設置する特許文献3に係る方法の誘導加熱効果を確認するため、以下の「交流磁場解析」とその検討を行い、合わせて特許文献4に係る金属製筒状ヒーターによる加熱効果を分析した。
Therefore, the present inventors conducted the following "AC magnetic field analysis" and its examination in order to confirm the induction heating effect of the method according to
(1)コップ状円筒等を設置しない従来例に係る坩堝構造体の解析
図1に示すイリジウム製結晶育成用坩堝と、該坩堝の開放端にドーナツ板形状リフレクターを介し組み込まれたイリジウム製アフターヒーターとで構成される従来例に係る坩堝構造体に対し、高周波誘導コイルで高周波を誘導した際の発熱密度分布への影響について交流磁場解析を行った。
(1) Analysis of a crucible structure according to a conventional example in which a cup-shaped cylinder or the like is not installed An iridium crystal growing crucible shown in FIG. 1 and an iridium afterheater incorporated through a donut plate-shaped reflector at the open end of the crucible. For the crucible structure according to the conventional example composed of, an AC magnetic field analysis was performed on the effect on the heat generation density distribution when a high frequency is induced by a high frequency induction coil.
解析結果をみると、図7(A)(B)に示すように1kHz以下の比較的低周波の誘導電流では、従来例に係る坩堝構造体の発熱分布は坩堝の側壁に沿ってほぼ均一であるが、結晶育成炉で一般に使われる7kHz以上の高周波では、坩堝構造体の屈曲部(坩堝の底面と側壁とで形成される屈曲部)や坩堝とアフターヒーターとの接続部(ドーナツ板形状リフレクターの配置部位)等のエッジ部に発熱が集中することが確認された。 Looking at the analysis results, as shown in FIGS. 7A and 7B, at a relatively low frequency induced current of 1 kHz or less, the heat generation distribution of the crucible structure according to the conventional example is almost uniform along the side wall of the crucible. However, at high frequencies of 7 kHz or higher, which are generally used in crystal growth furnaces, the bent part of the crucible structure (the bent part formed by the bottom surface and the side wall of the crucible) and the connection part between the crucible and the afterheater (doughnut plate shape reflector). It was confirmed that the heat generation was concentrated on the edge part of the crucible.
また、坩堝の底部からアフターヒーターに至る側壁部の発熱密度分布、および、坩堝の底部における中心から半径方向の発熱密度分布について交流磁場解析を行ってみると、上記坩堝の底部からアフターヒーターに至る側壁部の発熱密度分布は、図8(A)(B)に示すように坩堝の端部(底部)や坩堝とアフターヒーターとの接続部(ドーナツ板形状リフレクターの配置部位)等のエッジ部に発熱が集中することが確認され、図8(C)(D)に示すようにコップ状円筒等を設置しない従来例に係る坩堝構造体では坩堝底部中心部の発熱はほとんどなく、坩堝底部の端部で僅かに発熱があるだけであることが確認された。 In addition, when AC magnetic field analysis is performed on the heat generation density distribution of the side wall from the bottom of the crucible to the afterheater and the heat generation density distribution in the radial direction from the center at the bottom of the crucible, it reaches from the bottom of the crucible to the afterheater. As shown in FIGS. 8 (A) and 8 (B), the heat generation density distribution of the side wall portion is distributed at the end (bottom) of the crucible and the edge portion such as the connection portion between the crucible and the afterheater (the location of the donut plate-shaped reflector). It was confirmed that heat generation was concentrated, and as shown in FIGS. 8C and 8D, in the crucible structure according to the conventional example in which the cup-shaped cylinder or the like was not installed, there was almost no heat generation at the center of the crucible bottom, and the end of the crucible bottom. It was confirmed that there was only a slight fever in the crucible.
これ等の状況から、結晶育成用坩堝の外側底面部にコップ状円筒を設置して坩堝底部を加熱補助する特許文献3の方法は有効と考えられる。
From these circumstances, it is considered that the method of
(2)コップ状円筒を設置した特許文献3に係る坩堝構造体の解析
白金製結晶育成用坩堝と、該坩堝の開放端にドーナツ板形状リフレクターを介し組み込まれた白金製アフターヒーターと、上記白金製結晶育成用坩堝の外側底面部に設置された白金製のコップ状円筒とで構成される特許文献3に係る坩堝構造体に対し、高周波誘導コイルで高周波を誘導した際の発熱密度分布への影響について交流磁場解析を行った。
(2) Analysis of crucible structure according to
尚、特許文献3(特開昭56−88895号公報)の第2図に記載された坩堝とコップ状円筒から、コップ状円筒の半径R1=(3/4)R0(R0:結晶育成用坩堝の外側底面部半径)、コップ状円筒の高さH1=(1/3)H0(H0:結晶育成用坩堝の高さ)と読み取り、かつ、本実施例1で適用した外径205mmφ、高さ180mm、平底形状結晶育成用坩堝の寸法に上記寸法比率を適用して白金製コップ状円筒の大きさを定め、交流磁場解析を行った。 From the crucible and the cup-shaped cylinder described in FIG. 2 of Patent Document 3 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 56-88895), the radius of the cup-shaped cylinder R 1 = (3/4) R 0 (R 0 : crystal). The radius of the outer bottom surface of the growing crucible), the height of the cup-shaped cylinder H 1 = (1/3) H 0 (H 0 : the height of the crystal growing crucible), and it was applied in this Example 1. The size of the platinum cup-shaped cylinder was determined by applying the above dimension ratio to the dimensions of the crucible for growing flat-bottomed crystals having an outer diameter of 205 mmφ and a height of 180 mm, and an AC magnetic field analysis was performed.
図9(A)(B)に示すようにコップ状円筒の円筒端部で発熱密度は大きくなっており、また、図10(A)(B)に示すようにコップ状円筒でも半径が誘導コイルに近いため発熱密度は若干大きくなっているが、図8(B)(D)と比較して結晶育成用坩堝では大きな差は認められなかった。 As shown in FIGS. 9A and 9B, the heat generation density is large at the cylindrical end of the cup-shaped cylinder, and as shown in FIGS. 10A and 10B, the radius of the cup-shaped cylinder is also an induction coil. Although the heat generation density was slightly higher because it was close to, no significant difference was observed in the crystal growing crucible as compared with FIGS. 8 (B) and 8 (D).
一方、結晶育成用坩堝内における融液の温度分布[図11(A)参照]を見ると、図11(B)の温度分布と比較して加熱効果は大きくないことが確認される。 On the other hand, looking at the temperature distribution of the melt in the crucible for crystal growth [see FIG. 11 (A)], it is confirmed that the heating effect is not large as compared with the temperature distribution of FIG. 11 (B).
特許文献3のコップ状円筒が適用された場合、結晶育成用坩堝の外側底面部に設置されるコップ状円筒に図2(B)に示すような円盤形状の板材g1が存在し、結晶育成用坩堝の外側底面部における厚さが板材g1の厚さ分だけ大きくなり、この結果、結晶育成用坩堝の外側底面部の熱抵抗が大きくなるため、コップ状円筒による加熱効果は弱いことが考えられる。
When the cup-shaped cylinder of
このため、特許文献3に係るコップ状円筒の改良が必要であることが確認された。
Therefore, it was confirmed that the cup-shaped cylinder according to
尚、図11(B)は、後述する本発明の貴金属円筒部材(円筒加熱体)が適用された結晶育成用坩堝内の融液温度を示している。 In addition, FIG. 11B shows the melt temperature in the crucible for crystal growth to which the precious metal cylindrical member (cylindrical heating body) of the present invention described later is applied.
(3)特許文献4の金属製筒状ヒーターによる加熱効果
特許文献4の金属製筒状ヒーターi(図3参照)が適用された場合、イリジウム坩堝aの外側底面部と上記金属製筒状ヒーターiと間に、耐火性坩堝(保温材として作用する)bおよび耐火性坩堝b内に充填された断熱材jが介在するため、金属製筒状ヒーターiからの熱はイリジウム坩堝aの外側底面部に伝わり難い。
(3) Heating effect of the metal tubular heater of
従って、金属製筒状ヒーターiによる坩堝外側底面部への加熱効果も弱いことから、従来技術の改良が必要であることが確認された。 Therefore, it was confirmed that the conventional technique needs to be improved because the heating effect of the metal tubular heater i on the outer bottom surface of the crucible is also weak.
そこで、本発明の課題とするところは、結晶育成用坩堝底部の発熱を効率的に高められる坩堝構造体の改変を図り、これにより坩堝底部からの原料凝固やそれを原因とする融液の対流異常、単結晶の不均質な成長、原料凝固物と単結晶の衝突等が抑制される単結晶育成装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to modify the crucible structure that can efficiently increase the heat generation of the bottom of the crucible for crystal growth, thereby solidifying the raw material from the bottom of the crucible and convection of the melt caused by the modification. It is an object of the present invention to provide a single crystal growing apparatus in which abnormalities, inhomogeneous growth of a single crystal, collision between a coagulated raw material and a single crystal, etc. are suppressed.
本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、特許文献3に記載された貴金属製物体(上記コップ状円筒若しくはコップ状円筒加熱体と記す)の構造に代えて、貴金属製の円筒部材、すなわち図2(B)に示す円盤形状の板材g1を有しない筒状体構造を採用することで、坩堝底部からの原料凝固やそれを原因とする融液の対流異常、単結晶の不均質な成長、原料凝固物と単結晶の衝突等を抑制できることを見出すに至った。
As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors have replaced the structure of the noble metal object (referred to as the cup-shaped cylinder or the cup-shaped cylinder heating body) described in
すなわち、本発明に係る第1の発明は、
一端側が開放された耐火性坩堝と、
上記耐火性坩堝の開放端側に配置されかつ耐火性坩堝の空間部と連通する空間部を有して耐火性坩堝と円筒状空間を形成する保温材と、
上記円筒状空間内の下方側に支持台を介して配置されかつ一端側が開放された結晶育成用坩堝と、
上記耐火性坩堝と結晶育成用坩堝間および耐火性坩堝と上記支持台間の各隙間空間に充填された断熱材と、
上記結晶育成用坩堝の開放端にリフレクターを介して配置された円筒状のアフターヒーターと、
上記耐火性坩堝の周囲に配置された高周波誘導コイルをチャンバー内に備え、
結晶引上げ軸先端に取り付けられた種結晶を上記結晶育成用坩堝の原料融液に接触させて単結晶を育成する単結晶育成装置において、
上記結晶育成用坩堝の外側底面部に、高周波誘導コイルで加熱される貴金属製円筒部材がその中心軸を結晶育成用坩堝の中心軸に整合させて取り付けられており、かつ、
上記貴金属製円筒部材の半径R1が、結晶育成用坩堝の外側底面部の半径R0に対して、
1/3≦R1/R0≦1
上記貴金属製円筒部材の高さH1が、結晶育成用坩堝の高さH0に対して、
1/8≦H1/H0≦1/2
の関係を満たしていると共に、
上記結晶育成用坩堝の支持台が貴金属製円筒部材の筒部内に嵌合していることを特徴とするものである。
That is, the first invention according to the present invention is
A refractory crucible with one end open,
A heat insulating material that is arranged on the open end side of the refractory crucible and has a space that communicates with the space of the refractory crucible to form a cylindrical space with the refractory crucible.
A crucible for growing crystals, which is arranged on the lower side in the cylindrical space via a support and has one end open.
The heat insulating material filled in the space between the refractory crucible and the crystal growing crucible and the space between the refractory crucible and the support base,
A cylindrical afterheater placed at the open end of the crystal growing crucible via a reflector,
A high-frequency induction coil arranged around the refractory crucible is provided in the chamber.
In a single crystal growing apparatus in which a seed crystal attached to the tip of a crystal pulling shaft is brought into contact with the raw material melt of the above-mentioned crystal growing crucible to grow a single crystal.
A precious metal cylindrical member heated by a high-frequency induction coil is attached to the outer bottom surface of the crystal growing crucible so that its central axis is aligned with the central axis of the crystal growing crucible.
Radius R 1 of the noble metal cylindrical member, with respect to the radius R 0 of the outer bottom surface of the crystal growth crucible,
1/3 ≤ R 1 / R 0 ≤ 1
The height H 1 of the precious metal cylindrical member is relative to the height H 0 of the crystal growing crucible.
1/8 ≤ H 1 / H 0 ≤ 1/2
Together meet the relationship,
The support base of the crucible for crystal growth is fitted in the tubular portion of the noble metal cylindrical member .
本発明に係る単結晶育成装置によれば、
結晶育成用坩堝底部の発熱を効率的に高めることが可能となり、これにより上記坩堝底部の温度低下を防止できるため、坩堝底部からの原料凝固が抑制されて結晶育成の歩留まりを向上させることができる。
According to the single crystal growing apparatus according to the present invention.
It is possible to efficiently increase the heat generated at the bottom of the crucible for crystal growth, thereby preventing the temperature of the bottom of the crucible from dropping, so that solidification of the raw material from the bottom of the crucible can be suppressed and the yield of crystal growth can be improved. ..
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明に係る技術事項は以下の実施の形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the technical matters relating to the present invention are not limited to the following embodiments.
まず、本実施の形態に係る単結晶育成装置は、図4に示すように一端側が開放された耐火性坩堝(保温材として作用する)6と、該耐火性坩堝6の開放端側に配置されかつ耐火性坩堝6の空間部と連通する空間部を有して上記耐火性坩堝6と円筒状空間を形成する保温材9と、該円筒状空間内の下方側に支持台8を介して配置されかつ一端側が開放された結晶育成用坩堝4と、上記耐火性坩堝6と結晶育成用坩堝4との間および耐火性坩堝6と上記支持台8との間の各隙間空間に充填された発泡ジルコニア等から成る断熱材7と、上記結晶育成用坩堝4の開放端にドーナツ板形状のリフレクター14を介し配置された円筒状のアフターヒーター13と、上記耐火性坩堝6の周囲を巻き回すように配置された金属製の高周波誘導コイル2と、耐火性坩堝6の底面側を支持する耐火性坩堝用支持台12をチャンバー1内に備えており、結晶引上げ軸11の先端に取り付けられた種結晶10を結晶育成用坩堝4の原料融液3に接触させて単結晶を育成するようになっている。
First, the single crystal growing device according to the present embodiment is arranged on the open end side of the fire resistant crucible (acting as a heat insulating material) 6 whose one end side is open and the fire
また、上記結晶育成用坩堝4の外側底面部には高周波誘導コイル2で誘導加熱される貴金属製円筒部材5がその中心軸を結晶育成用坩堝4の中心軸に整合させて融着設置され、かつ、結晶育成用坩堝4の支持台8は貴金属製円筒部材5の筒部内に嵌合されている。
Further, a precious metal
そして、各構成要素について説明する。 Then, each component will be described.
まず、チャンバー1は、結晶育成用坩堝4および高周波誘導コイル2からの熱を遮断すると共に、これら部材を収容する機能を有する。また、チャンバー1は、所定の垂直断面で水平方向等に分割可能になっており、これにより結晶育成用坩堝4および高周波誘導コイル2等が露出可能な構造となっている。
First, the
耐火性坩堝用支持台12は、保温材として作用する耐火性坩堝6と、該耐火性坩堝6の空間部と連通する空間部を有する上記保温材9を保持するための支持台であり、ジルコニア等の材料により構成されている。また、上述したように耐火性坩堝6の空間部と保温材9の空間部とで円筒状空間を形成している。尚、耐火性坩堝6にはアルミナ等が用いられ、上記保温材9にはジルコニア、アルミナ等が用いられる。
The
上記結晶育成用坩堝4は、坩堝内に結晶原料を保持しかつ結晶を育成するための容器である。結晶原料は、結晶化する金属等が溶融した融液3の状態で保持される。結晶育成用坩堝4は、結晶原料にもよるが耐熱性のある白金やイリジウム等で構成される。
The
また、上記結晶育成用坩堝4を支持する支持台8には、ジルコニア、アルミナ等が用いられる。
Further, zirconia, alumina, or the like is used for the
また、チョクラルスキー法により育成される単結晶は、単結晶の引き上げが進むに従って結晶育成用坩堝4から遠ざかって行くため単結晶の温度分布が大きくなり、単結晶に割れ等の不具合を発生させる場合がある。この不具合を回避するため上記結晶育成用坩堝4の開放端にドーナツ板形状のリフレクター14を介しアフターヒーター13が配置されており、これにより適切な温度分布が維持されるようになっている。アフターヒーター13の形状は、その内径が育成しようとする酸化物単結晶の直径より大きくかつ結晶育成用坩堝4の直径より小さく設定する。アフターヒーター13の全長は、育成しようとする酸化物単結晶の全長の半分より長く、二倍より短い円筒状とする。また、上記アフターヒーター13は白金やイリジウム等の金属で作製される。
In addition, the single crystal grown by the Czochralski method moves away from the
上記耐火性坩堝6の周囲を巻き回すように配置される金属製の高周波誘導コイル2は、結晶育成用坩堝4、貴金属製円筒部材5、リフレクター14、および、アフターヒーター13を誘導加熱するための手段であり、結晶育成用坩堝4、貴金属製円筒部材5、リフレクター14、および、アフターヒーター13の上方を囲むように配置される。高周波誘導コイル2は、結晶育成用坩堝4、貴金属製円筒部材5、リフレクター14、および、アフターヒーター13を誘導加熱できればその形態は問わない。
The metal high-
また、上記結晶引上げ軸11は、その先端に種結晶10を保持し、結晶育成用坩堝4内の結晶原料(原料融液3)表面に上記種結晶10を接触させ、回転しながら結晶を引き上げるための手段である。結晶引上げ軸11は、種結晶10を保持する種結晶保持部を下端部に有し、かつ、回転機構であるモーターを備えた引き上げ軸駆動機構を有する。また、上記モーターは、結晶引き上げの際、結晶を回転させながら引き上げる動作を行うための回転駆動機構を備えている。
Further, the
本実施の形態に係る単結晶育成装置の特徴は、結晶育成用坩堝4の外側底面部に高周波誘導コイル2で誘導加熱される貴金属製円筒部材5がその中心軸を結晶育成用坩堝4の中心軸に整合させて付設(融着設置)されている点にある。すなわち、上記結晶育成用坩堝4に対する貴金属製円筒部材5の寸法を最適化することで結晶育成用坩堝4底部の発熱を効率的に実現し、これにより結晶育成用坩堝4底部の温度低下を抑制し、結晶育成用坩堝4底部からの融液固化の発生を阻止して、結晶の歩留まりを向上させている。
The feature of the single crystal growing device according to the present embodiment is that the noble metal
尚、後述する確認実験から、貴金属製円筒部材5の寸法が下記条件を満たした場合、結晶育成用坩堝4底部からの融液固化の発生を阻止することが可能となる。
From the confirmation experiment described later, when the dimensions of the precious metal
すなわち、
貴金属製円筒部材5の半径R1が、結晶育成用坩堝4の外側底面部の半径R0に対して、
1/3≦R1/R0≦1
上記貴金属製円筒部材5の高さH1が、結晶育成用坩堝4の高さH0に対して、
1/8≦H1/H0≦1/2
の関係を満たした場合、結晶育成用坩堝4底部からの融液固化の発生を阻止することが可能となる。
That is,
Radius R 1 of the noble metal-made
1/3 ≤ R 1 / R 0 ≤ 1
The height H 1 of the precious metal
1/8 ≤ H 1 / H 0 ≤ 1/2
When the above relationship is satisfied, it is possible to prevent the occurrence of melt solidification from the bottom of the
ここで、上記(R1/R0)が1/3未満の場合、結晶育成用坩堝4底部の発熱が結晶育成用坩堝4底部の中央部周辺に限られてしまうため、結晶育成用坩堝4底部の効率的な発熱を実現させることが困難となる。一方、上記(R1/R0)が1を超えた場合、貴金属製円筒部材5の円筒壁面が結晶育成用坩堝4の側壁面より外側の位置になるため、上記結晶育成用坩堝4底部を均一に加熱することが困難となる。
Here, when the above (R 1 / R 0 ) is less than 1/3, the heat generated at the bottom of the
また、上記(H1/H0)が1/8未満の場合、貴金属製円筒部材5による発熱の効果が不十分となるため、結晶育成用坩堝4底部の効率的な発熱を実現させることが困難となる。一方、上記(H1/H0)が1/2を超えた場合、貴金属製円筒部材5の先端が過剰に発熱して結晶育成用坩堝4底部の端部側がより発熱するため、結晶育成用坩堝4底部を均一に加熱することが困難となる。
Further, when the above (H 1 / H 0 ) is less than 1/8, the effect of heat generation by the precious metal
従って、1/3≦R1/R0≦1、および、1/8≦H1/H0≦1/2の条件が満たされるように設定することを要する。 Therefore, it is necessary to set so that the conditions of 1/3 ≤ R 1 / R 0 ≤ 1 and 1/8 ≤ H 1 / H 0 ≤ 1/2 are satisfied.
また、本実施の形態に係る単結晶育成装置を用いて育成される単結晶の種類については特に限定されず、例えば、ニオブ酸リチウム原料若しくはタンタル酸リチウム原料を用いてタンタル酸リチウム単結晶若しくはニオブ酸リチウム単結晶の育成が可能である。その他、サファイア単結晶を始めとして種々の酸化物単結晶を育成するための結晶原料を用いることができる。 The type of single crystal grown using the single crystal growing apparatus according to the present embodiment is not particularly limited, and for example, a lithium niobate raw material or a lithium tantalate raw material is used to grow a lithium tantalate single crystal or niobate. It is possible to grow a lithium acid single crystal. In addition, crystal raw materials for growing various oxide single crystals including sapphire single crystals can be used.
[確認実験]
実施の形態に係る坩堝構造体(結晶育成用坩堝の外側底面部に本発明の貴金属製円筒部材をその中心軸を上記結晶育成用坩堝の中心軸に整合させて付設した坩堝構造体)、および、従来例に係る坩堝構造体(上記貴金属製円筒部材を有しない従来の坩堝構造体)に対し、それぞれ高周波誘導加熱を行ったときの発熱状態を、以下のシミュレーションによって比較、確認する確認実験を行った。
[Confirmation experiment]
The crucible structure according to the embodiment (a crucible structure in which the noble metal cylindrical member of the present invention is attached to the outer bottom surface of the crystal growing crucible so that its central axis is aligned with the central axis of the crystal growing crucible), and , A confirmation experiment to compare and confirm the heat generation state when high-frequency induction heating is performed on the crucible structure according to the conventional example (the conventional crucible structure without the above-mentioned noble metal cylindrical member) by the following simulation. went.
シミュレーションには、解析ソフトとして、有限要素解析ソフト[ANSYS:ANSYS Inc.]を用いた。 For simulation, as analysis software, finite element analysis software [ANSYS: ANSYS Inc. ] Was used.
(シミュレーション解析条件)
高周波誘導コイルで作られる高周波磁場による誘導加熱に関する解析条件を以下に示す。
(Simulation analysis conditions)
The analysis conditions for induction heating by a high-frequency magnetic field created by a high-frequency induction coil are shown below.
本実施の形態に係る単結晶育成装置における部材の形状が、図4に示すように軸対称であることから2次元軸対称モデルを作成した。 Since the shape of the member in the single crystal growing apparatus according to the present embodiment is axisymmetric as shown in FIG. 4, a two-dimensional axisymmetric model was created.
高周波磁場により誘導加熱される構成要素としてイリジウム製の「結晶育成用坩堝4」、イリジウム製の「リフレクター14」、イリジウム製の「アフターヒーター13」、「高周波誘導コイル2」、および、円筒状空間部に存在する「ガス」を解析の対象とした。
Iridium's "
尚、本発明に関しては、誘導加熱される構成要素として、該坩堝4の外側底面部に付設されたイリジウム製の「貴金属製円筒部材5」を加えた。
Regarding the present invention, an iridium-made "precious metal
計算に使用した材料定数は、イリジウムの電気抵抗率:46.6×10-8(Ω・m)、真空の透磁率:4π×10-7(H/m)である。 The material constants used in the calculation are the electrical resistivity of iridium: 46.6 × 10 -8 (Ω · m) and the magnetic permeability of vacuum: 4π × 10 -7 (H / m).
高周波磁場解析から、結晶育成用坩堝4、リフレクター14、アフターヒーター13に誘導される電流密度i(A/m2)を求め、ρi2(ρ:電気抵抗率)の式によりモデルの各要素の発熱密度q(W/m3)を算出する。そして、発熱密度に各要素の体積を掛けると各要素の発熱量が求まる。
From the high-frequency magnetic field analysis, the current density i (A / m 2 ) induced in the
一方、炉内温度分布の計算は、熱流体解析ソフトCFX(ANSYS Inc.)を用いた。発熱荷重条件として、上記磁場解析で求めた結晶育成用坩堝4、リフレクター14、アフターヒーター13の発熱密度を熱流体解析モデル内の結晶育成用坩堝、リフレクター、アフターヒーター部に設定した。チャンバー(SUS)1の冷却水領域の壁を30℃固定として熱流体解析を行うことで炉内の温度分布を求めた。
On the other hand, the thermo-fluid analysis software CFX (ANSYS Inc.) was used for the calculation of the temperature distribution in the furnace. As the heat generation load conditions, the heat generation densities of the
(単結晶育成装置の具体的構造)
図4に示す主要部構成として、外径205mmφ、高さ180mm、厚さ2.5mmのイリジウム製の平底結晶育成用坩堝4の外側底面部に、外径135mmφ、高さ50mm、厚さ2.5mmのイリジウム製の貴金属製円筒部材5を融着配置させ、かつ、結晶育成用坩堝4の支持台8が貴金属製円筒部材5の筒部内に嵌合(嵌入)される構成とした。
(Specific structure of single crystal growing device)
As the main structure shown in FIG. 4, the outer bottom surface of the iridium flat-bottomed
高周波誘導コイル2は、ピッチ30mmで12ターン巻かれている。管状コイルの断面形状は20mm×20mm、管の厚さは1.5mmであり、かつ、結晶育成用坩堝4の底面と高周波誘導コイル2の最下端中央との距離が、図6に示すように80mmとなるように高周波誘導コイル2の高さ位置を調整した。
The high
また、上記高周波誘導コイル2におけるコイル電流の周波数は、標準として7kHzとし、種結晶と融液との界面の温度が融点1650℃になるようにパワーを調整した。
The frequency of the coil current in the high
結晶育成用坩堝4内における融液3の高さは166mmで、8mm角×70mmの種結晶10を融液表面に接触させている。
The height of the
(1)従来例に係る坩堝構造体における発熱密度分布のコイル周波数の影響
(1-1)本発明の貴金属製円筒部材が付設されていない従来例に係る坩堝構造体に対し、高周波誘導コイル2におけるコイル電流の周波数を500Hz、1kHz、3kHz、5kHz、10kHzと変化させて誘導加熱し、その発熱密度分布への影響を調べた。
(1) Effect of coil frequency of heat generation density distribution on the crucible structure according to the conventional example (1-1) High
また、高周波誘導コイル2におけるコイル電流の周波数を7kHzとしたときの、
(a)結晶育成用坩堝4における側面部の発熱密度分布、
(b)結晶育成用坩堝4における底面部の発熱密度分布について調べた。
Further, when the frequency of the coil current in the high
(A) Heat generation density distribution on the side surface of the
(B) The heat generation density distribution at the bottom surface of the
(1-2)調査結果
コイル周波数の影響についての解析結果をみると、図7(B)に示すように、1kHz以下の比較的低周波では、結晶育成用坩堝の発熱密度分布は坩堝側壁に沿ってほぼ均一であるが、結晶育成炉で一般に使われる7kHz以上の高周波では、結晶育成用坩堝の角部(坩堝底面と側壁とで形成される角部)や坩堝とアフターヒーターとの接続部(ドーナツ板形状リフレクターの配置部位)等のエッジ部、アフターヒーター端部に発熱が集中することが確認された。
(1-2) Survey results Looking at the analysis results on the effect of coil frequency, as shown in Fig. 7 (B), at a relatively low frequency of 1 kHz or less, the heat generation density distribution of the crystal growing crucible is on the crucible side wall. It is almost uniform along the line, but at high frequencies of 7 kHz or higher, which is generally used in crystal growth furnaces, the corners of the crucible for crystal growth (corners formed by the bottom surface of the crucible and the side walls) and the connection between the crucible and the afterheater It was confirmed that heat generation was concentrated on the edges such as (the location of the donut plate-shaped reflector) and the end of the after-heater.
また、結晶育成用坩堝底面部の発熱密度分布では、図8(D)に示すように坩堝底部の中心部から角部までの間の発熱はほとんどなく、坩堝底部の角部で発熱することが確認された。 Further, in the heat generation density distribution of the bottom surface of the crucible for crystal growth, as shown in FIG. 8 (D), there is almost no heat generation from the center to the corner of the bottom of the crucible, and heat is generated at the corner of the bottom of the crucible. confirmed.
また、坩堝内融液の温度分布を見ると、本発明の貴金属製円筒部材が付設(融着設置)されていない場合、図12(B)に示されるように、結晶育成用坩堝の内部はほぼ同様の温度となっているが、結晶育成用坩堝の上部、リフレクター、アフターヒーターでは、温度上昇が見られず、結晶を引き上げるとき、結晶が急激に冷却されて割れてしまうという問題が起こる可能性が高い。 Looking at the temperature distribution of the melt in the crucible, when the noble metal cylindrical member of the present invention is not attached (fused and installed), the inside of the crucible for crystal growth is as shown in FIG. 12 (B). Although the temperature is almost the same, the temperature does not rise at the upper part of the crystal growth crucible, the reflector, and the afterheater, and when the crystal is pulled up, the crystal may be rapidly cooled and cracked. Highly sexual.
尚、図12(A)は、本発明の貴金属製円筒部材が付設(融着設置)された場合の坩堝近傍と坩堝内融液の温度分布を「Temperature Contour 1」のカラーで表示した温度分布図であるが、上記貴金属製円筒部材が付設(融着設置)されない図12(B)の温度分布図と比較して坩堝近傍(リフレクター、アフターヒーター)と種結晶上端部の温度が若干低く示されている。この点について下記(2-2-1)(2-2-2)欄において補足説明する。
In addition, FIG. 12A shows the temperature distribution in the vicinity of the crucible and the melt in the crucible when the precious metal cylindrical member of the present invention is attached (fused and installed) in the color of “
(2)結晶育成用坩堝の外側底面部に貴金属製円筒部材が融着設置されている場合
(2-1)結晶育成用坩堝の外側底面部に貴金属製円筒部材が付設された実施の形態に係る坩堝構造体に対し、高周波誘導コイル2におけるコイル電流の周波数を7kHzとしたときの、
(a)結晶育成用坩堝4における側面部の発熱密度分布、
(b)結晶育成用坩堝4における底面部の発熱密度分布について調べた。
(2) When a precious metal cylindrical member is fused and installed on the outer bottom surface of the crystal growing crucible (2-1) In the embodiment in which the noble metal cylindrical member is attached to the outer bottom surface of the crystal growing crucible. When the frequency of the coil current in the high-
(A) Heat generation density distribution on the side surface of the
(B) The heat generation density distribution at the bottom surface of the
(2-2)調査結果
結晶育成用坩堝4側面部の発熱密度分布は、図14(C)に示すように、貴金属製円筒部材5の円筒部端部で発熱があることが確認された。結晶育成用坩堝4のその他側面部の発熱密度分布は、従来例に係る坩堝構造体の構造の場合とほとんど変化が無く、結晶育成用坩堝の角部(坩堝底面と側壁とで形成される角部)や坩堝とアフターヒーターとの接続部(ドーナツ板形状リフレクターの配置部位)等のエッジ部、アフターヒーター端部に発熱が集中することが確認された。
(2-2) Survey Results As for the heat generation density distribution on the side surface of the
一方、結晶育成用坩堝4底面部の発熱密度分布は、図11(B)に示すように、貴金属製円筒部材5の円筒部端部で発熱があり、熱伝導により貴金属製円筒部材5で発熱密度が増加しており、結晶育成用坩堝4の底面部が加熱されていることが確認された。
On the other hand, as shown in FIG. 11B, the heat generation density distribution at the bottom surface of the
(2-2-1)ところで、本発明の貴金属製円筒部材が付設された場合における坩堝近傍と坩堝内融液の温度分布、および、上記貴金属製円筒部材が付設されない場合における坩堝近傍と坩堝内融液の温度分布については、図12(C)「Temperature Contour 1」(温度範囲30℃〜1720℃を色相表示)で図12(A)(B)に既に表示しているが、該図12(A)(B)で示した各部の温度の違いがより分かり易くなるように、図13(C)の「Temperature Contour 2」(温度範囲1590℃〜1720℃を色相表示)により、貴金属製円筒部材が付設された場合における坩堝近傍と坩堝内融液の温度分布[図13(A)参照]、および、貴金属製円筒部材が付設されない場合における坩堝近傍と坩堝内融液の温度分布[図13(B)参照]を示す。
(2-2-1) By the way, the temperature distribution of the melt in the crucible and the vicinity of the crucible when the noble metal cylindrical member of the present invention is attached, and the vicinity of the crucible and the inside of the crucible when the noble metal cylindrical member is not attached. The temperature distribution of the melt has already been shown in FIGS. 12 (A) and 12 (B) in FIG. 12 (C) “
(2-2-2)上記貴金属製円筒部材5の付設(融着設置)があると、融液を効率よく暖められるので、種結晶先端の温度を融点にするために必要な、坩堝、リフレクター、アフターヒーター全体の発熱量は少なくて済む。このため、図13(A)に示すようにアフターヒーターの温度は低く、種結晶上端部の温度も低くなっている。従って、種結晶とシード軸を伝って融液の熱が移動し易くなるため、融液の温度が下がり温度勾配が大きくなる。温度勾配が大きいと結晶は急成長しにくくなり、結晶育成の制御性が良くなるという効果を得られることが確認された。
(2-2-2) If the precious metal
(2-2-3)他方、貴金属製円筒部材5の付設(融着設置)が無いと、貴金属製円筒部材5の付設(融着設置)がある場合に較べ、図13(B)に示すようにアフターヒーターの温度は高く、種結晶の上端部の温度が高くなっていることが分かる。
(2-2-3) On the other hand, if the precious metal
この結果、融液に接する種結晶先端の温度と上端部との温度差は小さく、種結晶とシード軸を通じて融液の熱が逃げにくくなり、種結晶先端部近傍の融液の温度は下がらず、種結晶先端部近傍の融液の温度勾配は小さくなっていることが分かる。 As a result, the temperature difference between the temperature of the tip of the seed crystal in contact with the melt and the upper end is small, the heat of the melt is difficult to escape through the seed crystal and the seed shaft, and the temperature of the melt near the tip of the seed crystal does not decrease. It can be seen that the temperature gradient of the melt near the tip of the seed crystal is small.
このため、この状態から、加熱パワーを下げて温度を下げた場合、結晶が急成長する恐れがあることが推定された。 Therefore, from this state, it was presumed that if the heating power was lowered to lower the temperature, the crystals might grow rapidly.
(3)コップ状円筒を設置した特許文献3に係る坩堝構造体の解析
(3-1)白金製結晶育成用坩堝と、リフレクターを介し組み込まれた白金製アフターヒーターと、上記白金製結晶育成用坩堝の外側底面部に設置された白金製のコップ状円筒とで構成される特許文献3に係る坩堝構造体に対し、高周波誘導コイルで高周波を誘導した際の発熱密度分布への影響について交流磁場解析を行った。
(3) Analysis of crucible structure according to
尚、特許文献3(特開昭56−88895号公報)の第2図に記載された坩堝とコップ状円筒から、コップ状円筒の半径R1=(3/4)R0(R0:結晶育成用坩堝の外側底面部半径)、コップ状円筒の高さH1=(1/3)H0(H0:結晶育成用坩堝の高さ)と読み取り、かつ、本実施例1で適用した外径205mmφ、高さ180mm、平底形状結晶育成用坩堝の寸法に上記寸法比率を適用して白金製コップ状円筒の大きさを定め、交流磁場解析を行った。 From the crucible and the cup-shaped cylinder described in FIG. 2 of Patent Document 3 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 56-88895), the radius of the cup-shaped cylinder R 1 = (3/4) R 0 (R 0 : crystal). The radius of the outer bottom surface of the growing crucible), the height of the cup-shaped cylinder H 1 = (1/3) H 0 (H 0 : the height of the crystal growing crucible), and it was applied in this Example 1. The size of the platinum cup-shaped cylinder was determined by applying the above dimension ratio to the dimensions of the crucible for growing flat-bottomed crystals having an outer diameter of 205 mmφ and a height of 180 mm, and an AC magnetic field analysis was performed.
(3-2)調査結果
図14(A)〜(C)の解析結果から、白金製コップ状円筒の円筒端部で発熱密度は大きくなっており[図14(C)参照]、円筒部でも半径が誘導コイルに近いため発熱密度は若干大きくなっているが、坩堝部では大きな差は認められなかった。
(3-2) Survey results From the analysis results of FIGS. 14 (A) to 14 (C), the heat generation density is high at the cylindrical end of the platinum cup-shaped cylinder [see FIG. 14 (C)], and even at the cylindrical portion. Since the radius is close to that of the induction coil, the heat generation density is slightly higher, but no significant difference was observed in the crucible.
一方、坩堝内融液の温度分布を見ると、図11(A)に示すように、白金製コップ状円筒は、特許文献3の第3図に示されているようにコップ状円筒の上部に円盤形状の板材が融着されており、坩堝底部に接触配置すると坩堝底部の厚さが板材の厚さ分だけ厚くなり、坩堝底部への熱抵抗が大きくなって坩堝底部を加熱する効果は本発明に較べて大きくないことが分かる。
On the other hand, looking at the temperature distribution of the melt in the crucible, as shown in FIG. 11 (A), the platinum cup-shaped cylinder is located on the upper part of the cup-shaped cylinder as shown in FIG. 3 of
坩堝内融液の温度分布を見ると、図11(B)に示すように、本発明の貴金属製円筒部材5が結晶育成用坩堝4の外側底面部に融着されていることから、貴金属製円筒部材5の円筒端部での発熱が坩堝4底部に伝導し、坩堝底部が加熱され、融液全体に温度が上昇しており、図11(A)の特許文献3に係るコップ状円筒(コップ状円筒加熱体)が配置された場合と比較し、発熱を効率的に改善していることが確認される。
Looking at the temperature distribution of the crucible in the crucible, as shown in FIG. 11 (B), since the noble metal
(4)貴金属製円筒部材5の半径R1および高さH1を変更したときの坩堝近傍温度分布
本発明に係る単結晶育成装置において、貴金属製円筒部材の半径R1が、結晶育成用坩堝の外側底面部の半径R0に対して、
1/3≦R1/R0≦1
上記貴金属製円筒部材の高さH1が、結晶育成用坩堝の高さH0に対して、
1/8≦H1/H0≦1/2
の関係を満たすことを要件としている。
(4) Temperature distribution near the crucible when the radius R 1 and the height H 1 of the noble metal
1/3 ≤ R 1 / R 0 ≤ 1
The height H 1 of the precious metal cylindrical member is relative to the height H 0 of the crystal growing crucible.
1/8 ≤ H 1 / H 0 ≤ 1/2
It is a requirement to satisfy the relationship of.
(4-1)上記要件の是非を確認するため、貴金属製円筒部材5の半径R1と高さH1を変更したときの坩堝近傍および融液内の温度分布について交流磁場解析を行った。 (4-1) In order to confirm the pros and cons of the above requirements, an AC magnetic field analysis was performed on the temperature distribution in the vicinity of the crucible and in the melt when the radius R 1 and the height H 1 of the precious metal cylindrical member 5 were changed.
すなわち、図5に示すように結晶育成用坩堝の高さをH0、外側底面部の半径をR0、上記坩堝の外側底面部に付設される貴金属製円筒部材(円筒加熱体)の高さをH1、半径をR1としたとき、半径比(R1/R0)および高さ比(H1/H0)が下記マル1〜マル4に設定された4タイプについて交流磁場解析を行った。
マル1(R1/R0=1、H1/H0=1/2)、
マル2(R1/R0=1、H1/H0=1/8)
マル3(R1/R0=1/3、H1/H0=1/2)、
マル4(R1/R0=1/3、H1/H0=1/8)
That is, as shown in FIG. 5, the height of the crystal growing crucible is H 0 , the radius of the outer bottom surface portion is R 0 , and the height of the noble metal cylindrical member (cylindrical heating body) attached to the outer bottom surface portion of the crucible. When the radius is H 1 and the radius is R 1 , the AC magnetic field analysis is performed for the four types in which the radius ratio (R 1 / R 0 ) and the height ratio (H 1 / H 0) are set to the following circles 1 to 4. went.
Maru 1 (R 1 / R 0 = 1, H 1 / H 0 = 1/2),
Maru 2 (R 1 / R 0 = 1, H 1 / H 0 = 1/8)
Maru 3 (R 1 / R 0 = 1/3, H 1 / H 0 = 1/2),
Maru 4 (R 1 / R 0 = 1/3, H 1 / H 0 = 1/8)
(4-2)調査結果
上記円筒加熱体が付設されない坩堝構造体(円筒加熱体無)、および、円筒加熱体が付設されかつ(R1/R0)と(H1/H0)がマル1〜マル4に設定された坩堝構造体の坩堝近傍と坩堝内融液の各温度分布を「Temperature Contour 2」[図15(C)参照]のカラーで表示した図15(B)の温度分布図から確認されるように、円筒加熱体が付設された場合、円筒加熱体無しに較べて融液底面部の温度が上昇することが分かった。
(4-2) Survey results The crucible structure without the above-mentioned cylindrical heating body (without the cylindrical heating body), and with the cylindrical heating body attached, (R 1 / R 0 ) and (H 1 / H 0 ) are round. The temperature distributions in the vicinity of the crucible and the melt in the crucible of the crucible structure set in 1 to 4 are displayed in the colors of "
温度上昇の効果は、円筒部半径R1が大きい方が、効果があることが確認され、マル1>マル2>マル4>マル3の順で効果が大きいことが分かった。
The effect of temperature rise, who cylindrical portion radius R 1 is large, the effect is it is confirmed, it was found
また、図16(B)は上記円筒加熱体が付設されない坩堝構造体(円筒無)、および、円筒加熱体が付設されかつ(R1/R0)と(H1/H0)がマル1〜マル4に設定された各坩堝構造体について、坩堝底中心から側面に向かっての融液底面部における温度の温度分布を示したものである。
Further, FIG. 16B shows a crucible structure (without a cylinder) to which the cylindrical heating body is not attached, and (R 1 / R 0 ) and (H 1 / H 0 ) having a cylindrical heating body attached. The temperature distribution of the temperature at the bottom of the melt from the center of the crucible bottom to the side surface is shown for each crucible structure set in ~
円筒加熱体が付設されない坩堝構造体(円筒加熱体無)と比較して、融液底面部における温度は、マル3の場合は円筒部近傍で温度上昇の弱い領域が存在するが、その他の範囲では融液の温度上昇が確認され、上記円筒加熱体の設置が有効であることが確認された。温度上昇の効果は、円筒部半径R1が大きい方が、効果があることが確認され、マル1>マル2>マル4>マル3の順で効果が大きいことが分かった。
Compared to the 坩 堝 structure without a cylindrical heater (without a cylindrical heater), the temperature at the bottom of the melt is in the range other than that, although there is a region where the temperature rise is weak near the cylinder in the case of
以下、本発明の実施例について比較例も挙げて具体的に説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be specifically described with reference to comparative examples.
[実施例1]
図4に示す育成装置を用いてLiTaO3(LT)単結晶の育成を行った。
[Example 1]
The LiTaO 3 (LT) single crystal was grown using the growing device shown in FIG.
[結晶育成用坩堝4]
外径205mmφ、高さ180mm、厚さ2.5mm、平底形状のイリジウム製結晶育成用坩堝4の外側底面部に、外径135mmφ、高さ50mm、厚さ2.5mmのイリジウム製円筒部材5を融着させた坩堝構造体が適用され、かつ、結晶育成用坩堝4のジルコニア製支持台8に上記イリジウム製円筒部材5の筒部を篏合させて固定した。
[Crucible for crystal growth 4]
An iridium
[高周波誘導コイル2]
高周波誘導コイル2は、ピッチ30mmで12ターン巻かれている。また、管状コイル(冷却水が管状内部を流れる)の断面形状は、20mm×20mm、厚さ1.5mmで、かつ、高周波誘導コイル2の最下端中央部と結晶育成用坩堝4の外側底面部との距離が80mmになるように高周波誘導コイル2の高さ位置を調整した(図6参照)。
[High frequency induction coil 2]
The high
[育成条件]
高周波誘導コイル2におけるコイル電流の周波数は標準として7kHzとし、種結晶と原料融液との界面温度が融点1650℃になるようにパワーを調整した。
[Training conditions]
The frequency of the coil current in the high-
また、結晶育成用坩堝4内の原料融液高さは166mmで、8mm角×70mmの種結晶を融液表面に接触させてLiTaO3(LT)単結晶を育成した。
The height of the raw material melt in the
[LiTaO3結晶原料]
化学量論比でLiとTa比率が48.4:51.6(コングルエント組成)になるように炭酸リチウム(Li2CO3)と酸化タンタル(Ta2O5)を秤量し、これ等材料を混合機によって十分に混合した後、この混合粉末を800〜1650℃で10時間仮焼してLiTaO3結晶原料を調製し、該LiTaO3結晶原料を上記結晶育成用坩堝4に投入した。
[LiTaO 3 crystal raw material]
Lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) are weighed so that the ratio of Li to Ta is 48.4: 51.6 (congluent composition) in terms of chemical quantity theory, and these materials are used. after mixing thoroughly by a mixer, the mixed powder was 10 hours and calcined at 800-1650 ° C. the LiTaO 3 crystal raw material prepared was the LiTaO 3 crystal raw material was charged into the
[育成結果]
育成中における結晶育成用坩堝4内の融液温度分布を調べたところ、図11(B)に示されると同様に結晶育成用坩堝4の底面部における温度低下が抑制されていることが確認された。
[Training results]
When the melt temperature distribution in the
この結果、結晶育成用坩堝4底面部からの融液の固化の発生はなくなり、結晶育成の歩留まりを向上させることができた。
As a result, the solidification of the melt did not occur from the bottom surface of the
[比較例1]
上記イリジウム製円筒部材5を有しない底面部が平底形状のイリジウム製結晶育成用坩堝4が適用された点を除き実施例1と略同一の条件でLiTaO3単結晶を育成した。
[Comparative Example 1]
The LiTaO 3 single crystal was grown under substantially the same conditions as in Example 1 except that the iridium
[育成結果]
育成中における結晶育成用坩堝4内の融液温度分布を調べたところ、図15(B)における「円筒加熱体無」に示されると同様に結晶育成用坩堝4の底面中央部における温度低下が確認された。この結果、結晶育成用坩堝4底面部からの融液の固化が発生した。
[Training results]
When the melt temperature distribution in the
[比較例2]
[結晶育成用坩堝4]
外径205mmφ、高さ180mm、厚さ2.5mm、平底形状のイリジウム製結晶育成用坩堝4の外側底面部に、外径135mmφ、高さ50mm、厚さ2.5mmのイリジウム製コップ型部材(一端側が開放されたカップ形状の部材)5の天面部(閉止面部)を接触配置させた坩堝構造体が適用された点を除き実施例1と略同一の条件でLiTaO3単結晶を育成した。
[Comparative Example 2]
[Crucible for crystal growth 4]
An iridium cup-shaped member having an outer diameter of 135 mmφ, a height of 50 mm, and a thickness of 2.5 mm is attached to the outer bottom surface of the flat-bottomed iridium
[育成結果]
育成中における結晶育成用坩堝4内の融液温度分布を調べたところ、図11(A)に示されると同様に結晶育成用坩堝4の底面部における温度低下が抑制されていることが確認された。
[Training results]
When the melt temperature distribution in the
但し、図11(B)の実施例1に較べて結晶育成用坩堝4内の融液温度が低いことも確認された。比較例1よりも結晶長尺化できたが、やはり結晶育成用坩堝4底面部からの融液の固化が発生した。
However, it was also confirmed that the melt temperature in the
この原因は、比較例2においてはイリジウム製コップ型部材(一端側が開放されたカップ形状の部材)が適用されているため、イリジウム製コップ型部材の天面部(閉止面部)が存在する分、結晶育成用坩堝4底面部が見かけ上厚くなり、実施例1に較べて結晶育成用坩堝4の底面部を温める効果が小さくなったためと考えられる。
The reason for this is that in Comparative Example 2, an iridium cup-shaped member (a cup-shaped member with one end open) is applied, so that the iridium cup-shaped member has a top surface portion (closing surface portion), which causes crystals. It is considered that the bottom surface of the growing
この結果、実施例1に較べて結晶育成の歩留まりが若干低下した。 As a result, the yield of crystal growth was slightly reduced as compared with Example 1.
本発明の単結晶育成装置によれば、結晶育成用坩堝底部の発熱を効率的に高めることで坩堝底部の温度低下が防止されるため、坩堝底部からの原料凝固が抑制されて結晶育成の歩留まりを向上させることができる。このため、タンタル酸リチウム単結晶やニオブ酸リチウム単結晶の製造に利用される産業上の利用可能性を有している。 According to the single crystal growing apparatus of the present invention, the temperature drop of the bottom of the crucible is prevented by efficiently increasing the heat generation of the bottom of the crucible for crystal growth, so that the solidification of the raw material from the bottom of the crucible is suppressed and the yield of crystal growth is suppressed. Can be improved. Therefore, it has industrial applicability used for producing a lithium tantalate single crystal and a lithium niobate single crystal.
1 チャンバー
2 高周波誘導コイル
3 融液
4 結晶育成用坩堝
5 貴金属製円筒部材
6 耐火性坩堝
7 断熱材(バブル)
8 支持台
9 保温材
10 種結晶
11 結晶引上げ軸
12 耐火性坩堝用支持台
13 アフターヒーター
14 リフレクター
8 Support base 9
Claims (1)
上記耐火性坩堝の開放端側に配置されかつ耐火性坩堝の空間部と連通する空間部を有して耐火性坩堝と円筒状空間を形成する保温材と、
上記円筒状空間内の下方側に支持台を介して配置されかつ一端側が開放された結晶育成用坩堝と、
上記耐火性坩堝と結晶育成用坩堝間および耐火性坩堝と上記支持台間の各隙間空間に充填された断熱材と、
上記結晶育成用坩堝の開放端にリフレクターを介して配置された円筒状のアフターヒーターと、
上記耐火性坩堝の周囲に配置された高周波誘導コイルをチャンバー内に備え、
結晶引上げ軸先端に取り付けられた種結晶を上記結晶育成用坩堝の原料融液に接触させて単結晶を育成する単結晶育成装置において、
上記結晶育成用坩堝の外側底面部に、高周波誘導コイルで加熱される貴金属製円筒部材がその中心軸を結晶育成用坩堝の中心軸に整合させて取り付けられており、かつ、
上記貴金属製円筒部材の半径R1が、結晶育成用坩堝の外側底面部の半径R0に対して、
1/3≦R1/R0≦1
上記貴金属製円筒部材の高さH1が、結晶育成用坩堝の高さH0に対して、
1/8≦H1/H0≦1/2
の関係を満たしていると共に、
上記結晶育成用坩堝の支持台が貴金属製円筒部材の筒部内に嵌合していることを特徴とする単結晶育成装置。 A refractory crucible with one end open,
A heat insulating material that is arranged on the open end side of the refractory crucible and has a space that communicates with the space of the refractory crucible to form a cylindrical space with the refractory crucible.
A crucible for growing crystals, which is arranged on the lower side in the cylindrical space via a support and has one end open.
The heat insulating material filled in the space between the refractory crucible and the crystal growing crucible and the space between the refractory crucible and the support base,
A cylindrical afterheater placed at the open end of the crystal growing crucible via a reflector,
A high-frequency induction coil arranged around the refractory crucible is provided in the chamber.
In a single crystal growing apparatus in which a seed crystal attached to the tip of a crystal pulling shaft is brought into contact with the raw material melt of the above-mentioned crystal growing crucible to grow a single crystal.
A precious metal cylindrical member heated by a high-frequency induction coil is attached to the outer bottom surface of the crystal growing crucible so that its central axis is aligned with the central axis of the crystal growing crucible.
Radius R 1 of the noble metal cylindrical member, with respect to the radius R 0 of the outer bottom surface of the crystal growth crucible,
1/3 ≤ R 1 / R 0 ≤ 1
The height H 1 of the precious metal cylindrical member is relative to the height H 0 of the crystal growing crucible.
1/8 ≤ H 1 / H 0 ≤ 1/2
Together meet the relationship,
A single crystal growing apparatus characterized in that the support base of the crucible for growing crystals is fitted in a tubular portion of a cylindrical member made of precious metal.
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