JP7761938B2 - Raw material container for sublimation growth equipment - Google Patents
Raw material container for sublimation growth equipmentInfo
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Description
本開示は、例えば炭化ケイ素等の原料を昇華させて種結晶上に単結晶成長させる昇華成長装置に使用される原料容器に関する。 This disclosure relates to a source container used in a sublimation growth apparatus that sublimates a source material, such as silicon carbide, to grow a single crystal on a seed crystal.
炭化ケイ素(SiC)は、シリコン(Si)に比べて大電力を効率良く制御できることから、例えば半導体素子等をはじめとした各種デバイスに応用されており、その用途は広い。各種デバイスの特性に均一性を持たせるためには、炭化ケイ素を単結晶で成長させるのが好ましい。炭化ケイ素単結晶を製造する際には、昇華再結晶法と呼ばれる方法が知られており、この方法では、原料となる炭化ケイ素粉体を原料容器内に収容した状態で2000℃以上の高温まで加熱して昇華させ、原料から離れた所に設置された種結晶上に単結晶成長させることにより、炭化ケイ素単結晶を得ることができる(例えば特許文献1、2参照)。 Silicon carbide (SiC) has a wide range of applications, including semiconductor devices, due to its ability to efficiently control large amounts of power compared to silicon (Si). To ensure uniformity in the characteristics of various devices, it is preferable to grow silicon carbide as a single crystal. A method known as sublimation recrystallization is used to produce silicon carbide single crystals. This method involves heating raw silicon carbide powder contained in a source container to a high temperature of 2000°C or higher, causing it to sublimate, and then growing the powder on a seed crystal placed away from the source material, thereby producing silicon carbide single crystals (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
特許文献1の原料容器は、上端開口部の内径が中央部の内径より小さく設定され、また底部の内径が上端開口部の内径より小さく設定された黒鉛製のるつぼで構成されている。また、特許文献2の原料容器は、上部るつぼ外筒と、るつぼ底と、これらの間に着脱自在に配設された複数の増設用るつぼ外筒とで構成されており、増設用るつぼ外筒によって上下方向に長さを変更することが可能になっている。 The raw material container in Patent Document 1 is composed of a graphite crucible whose upper opening has an inner diameter smaller than that of the center, and whose bottom has an inner diameter smaller than that of the upper opening. The raw material container in Patent Document 2 is composed of an upper crucible outer cylinder, a crucible bottom, and multiple additional crucible outer cylinders detachably arranged between them, and the additional crucible outer cylinders allow the length to be adjusted vertically.
ところで、炭化ケイ素で半導体素子を形成する場合、炭化ケイ素基板が用いられるが、半導体素子の生産性向上のためには炭化ケイ素基板の直径を拡大させたいという要求がある。大きな直径の基板を製造するためには、原料が収容される容器の大型化、特に容器径の拡大が必要になる。 When forming semiconductor elements from silicon carbide, silicon carbide substrates are used, but there is a demand to increase the diameter of silicon carbide substrates in order to improve the productivity of semiconductor elements. To manufacture substrates with a larger diameter, it is necessary to increase the size of the container in which the raw material is stored, particularly the diameter of the container.
特許文献1、2のような黒鉛製のるつぼで原料容器を構成すれば、加熱源として電磁誘導を利用した誘導加熱源を利用することが可能になる。誘導加熱源の場合、原料容器の渦電流密度にバラツキが生じると、容器内の温度分布が不均一になってしまう。特に、上述したように容器が大型化するとこの問題がより一層顕著なものになる。 If the raw material container is constructed using a graphite crucible as in Patent Documents 1 and 2, it becomes possible to use an induction heating source that utilizes electromagnetic induction as the heating source. With an induction heating source, if there are variations in the eddy current density in the raw material container, the temperature distribution inside the container will become uneven. This problem becomes even more pronounced as the container becomes larger, as mentioned above.
この点、特許文献1のような一体物の原料容器の場合、渦電流密度のバラツキを積極的に解消し得るものではないので、大型の容器内の温度分布を均一にするのが困難である。また、特許文献2では、上部るつぼ外筒とるつぼ底との間に増設用るつぼ外筒が配設されているが、増設用るつぼ外筒は原料容器の長さ調整のために用いられるだけであり、渦電流密度のバラツキを解消し得るものではない。 In this regard, with a one-piece raw material container like the one in Patent Document 1, it is not possible to actively eliminate variations in eddy current density, making it difficult to achieve a uniform temperature distribution within a large container. Furthermore, in Patent Document 2, an additional crucible outer cylinder is disposed between the upper crucible outer cylinder and the crucible bottom, but this additional crucible outer cylinder is only used to adjust the length of the raw material container and does not eliminate variations in eddy current density.
本開示は、かかる点に鑑みたものであり、その目的とするところは、原料が収容される容器が大型化された場合であっても、誘導加熱時の渦電流密度のバラツキを低減して容器内の温度分布の均一化を図ることにある。 The present disclosure has been made in light of these issues, and its purpose is to reduce variations in eddy current density during induction heating and achieve uniform temperature distribution within the container, even when the container in which the raw materials are stored is enlarged.
上記目的を達成するために、本開示の一態様では、原料を昇華させて種結晶に単結晶成長させる昇華成長装置に用いられる昇華成長装置用原料容器を前提とすることができる。昇華成長装置用原料容器は、平面視で円形をなす底板材で構成された底壁部と、前記底板部の上に配設され、円環状の誘導加熱源内に配置される周壁部とを備えている。前記周壁部は、平面視で円環状をなすとともに導電性材料からなる複数の周壁構成部材が上下方向に接続されて構成されている。 To achieve the above objective, one aspect of the present disclosure can be based on a source material container for a sublimation growth apparatus used in a sublimation growth apparatus that sublimates a source material to grow a single crystal on a seed crystal. The source material container for a sublimation growth apparatus includes a bottom wall portion made of a bottom plate material that is circular in plan view, and a peripheral wall portion disposed on top of the bottom plate portion and placed within a circular induction heating source. The peripheral wall portion is circular in plan view and is composed of multiple peripheral wall components made of a conductive material connected in the vertical direction.
この構成によれば、原料容器の周壁部の外側を囲むように誘導加熱源が配置される。誘導加熱源に通電されることで周壁部を構成している各周壁構成部材に渦電流が発生し、各周壁構成部材が発熱して原料が加熱される。このとき、周壁構成部材及び誘導加熱源が共に円環状であることから、各周壁構成部材に発生した渦電流を当該周壁構成部材に閉じ込めることが可能になり、渦電流が周方向に均一化する。これにより、容器内の温度分布も均一化する。 With this configuration, the induction heating source is positioned to surround the outside of the peripheral wall of the raw material container. When current is applied to the induction heating source, eddy currents are generated in each of the peripheral wall components that make up the peripheral wall, causing each peripheral wall component to heat up and heat the raw material. Because both the peripheral wall components and the induction heating source are annular, the eddy currents generated in each peripheral wall component can be contained within the peripheral wall component, making the eddy currents uniform in the circumferential direction. This also uniforms the temperature distribution within the container.
また、原料容器が底板材及び複数の周壁構成部材で構成されることになるので、一体成形する場合に比べて各部品が小さくなり、製造が容易になる。また、底板材及び複数の周壁構成部材のうち、一部が損傷した場合には、損傷した部材のみ交換すればよく、メンテナンスのコストが低減される。 In addition, because the raw material container is made up of a bottom plate material and multiple peripheral wall components, each part is smaller than if they were molded as a single unit, making manufacturing easier. Furthermore, if any of the bottom plate material or multiple peripheral wall components becomes damaged, only the damaged component needs to be replaced, reducing maintenance costs.
また、複数の前記周壁構成部材は、第1の周壁構成部材と、当該第1の周壁構成部材の上に接続される第2の周壁構成部材とを含んでいてもよい。この場合、前記第1の周壁構成部材の上部には、上方へ突出して周方向に延びる突出部を形成することができ、また、前記第2の周壁構成部材の下部には、前記突出部が収容される凹部を形成することができる。この構成によれば、第1の周壁構成部材の突出部を第2の周壁構成部材の凹部に収容することで、第1の周壁構成部材と第2の周壁構成部材とを凹凸嵌合させることができ、相対的な位置ずれを抑制できる。 The plurality of peripheral wall constituent members may also include a first peripheral wall constituent member and a second peripheral wall constituent member connected to the top of the first peripheral wall constituent member. In this case, a protrusion that protrudes upward and extends circumferentially can be formed on the upper part of the first peripheral wall constituent member, and a recess that accommodates the protrusion can be formed on the lower part of the second peripheral wall constituent member. With this configuration, by accommodating the protrusion of the first peripheral wall constituent member in the recess of the second peripheral wall constituent member, the first peripheral wall constituent member and the second peripheral wall constituent member can be fitted together in a recess-projection manner, thereby preventing relative positional misalignment.
また、導電性材料の比抵抗値を10-5Ωcm以上10-2Ωcm以下の範囲で設定することができる。これにより、誘導加熱が効率良く行われるようになる。 Furthermore, the specific resistance of the conductive material can be set in the range of 10 −5 Ωcm to 10 −2 Ωcm, thereby enabling induction heating to be carried out efficiently.
また、原料容器に収容される原料は、炭化ケイ素粉末であってもよい。また、厚みまたは上下方向の寸法が互いに異なる複数の前記周壁構成部材が接続されることによって周壁部が構成されていてもよい。すなわち、周壁構成部材の厚みや上下方向の寸法が異なると、誘導加熱時の渦電流密度が変化することになり、ひいては原料容器の部位による加熱温度の制御が可能になる。 The raw material contained in the raw material container may also be silicon carbide powder. The peripheral wall portion may also be formed by connecting multiple peripheral wall components having different thicknesses or vertical dimensions. In other words, if the thicknesses or vertical dimensions of the peripheral wall components differ, the eddy current density during induction heating will change, making it possible to control the heating temperature depending on the location of the raw material container.
また、複数の前記周壁構成部材は、同じ形状及び同じ大きさであってもよい。これにより、共通の部材で周壁構成部材を構成することができるので、コストを低減できる。 Furthermore, the multiple peripheral wall components may be the same shape and size. This allows the peripheral wall components to be constructed using common materials, thereby reducing costs.
以上説明したように、導電性材料からなる円環状の周壁構成部材が上下方向に接続されることによって原料容器の周壁部が構成されているので、誘導加熱時に発生する渦電流を均一化することができる。これにより、原料容器が大型化された場合であっても、原料容器内の温度分布の均一化を図ることができる。 As explained above, the peripheral wall of the source container is constructed by connecting annular peripheral wall components made of conductive material in the vertical direction, which makes it possible to homogenize eddy currents that occur during induction heating. This makes it possible to homogenize the temperature distribution inside the source container, even if the source container is large.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the following description of the preferred embodiment is merely exemplary in nature and is not intended to limit the present invention, its applications, or its uses.
図1は、本発明の実施形態に係る昇華成長装置1の構成を示すブロック図である。昇華成長装置1は、粉末の原料Bを昇華温度まで加熱して昇華させ、昇華した原料を種結晶Aに付着させて単結晶成長させるための装置である。原料Bは、例えば炭化ケイ素(SiC)の粉末である。炭化ケイ素の粉末は、例えば解粉や分級等を行うことにより、所定の範囲の平均粒径を有する粉末とすることができる。また、炭化ケイ素の昇華温度は2000℃以上、例えば2100℃~2400℃である。昇華成長装置1で得られた単結晶の炭化ケイ素は、例えばウエハ等に加工されて半導体素子の材料として使用される。 Figure 1 is a block diagram showing the configuration of a sublimation growth apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. The sublimation growth apparatus 1 is an apparatus for heating powdered raw material B to its sublimation temperature to sublimate it, and then attaching the sublimated raw material to a seed crystal A to grow a single crystal. Raw material B is, for example, silicon carbide (SiC) powder. Silicon carbide powder can be made into powder having an average particle size within a predetermined range by, for example, disintegrating or classifying it. The sublimation temperature of silicon carbide is 2000°C or higher, for example, 2100°C to 2400°C. The single crystal silicon carbide obtained in the sublimation growth apparatus 1 is processed, for example, into wafers and used as a material for semiconductor devices.
昇華成長装置1は、炭化ケイ素の単結晶を成長させることによって大口径の単結晶を得る単結晶生成部10と、単結晶生成部10を制御する制御装置50と、操作盤60と、記憶部61を備えている。単結晶生成部10と制御装置50とは間隔をあけて配置されており、制御装置50が単結晶生成部10から放射される熱の影響を受けないようになっている。「大口径」とは、炭化ケイ素の単結晶の直径が大きいことであり、例えば6インチ以上または8インチ以上の直径の単結晶を昇華成長装置1によって製造することができる。したがって、昇華成長装置1は、炭化ケイ素の単結晶を製造する製造装置と呼ぶこともでき、この昇華成長装置1を用いることで、炭化ケイ素の単結晶の製造方法を実行できる。 Sublimation growth apparatus 1 comprises a single crystal generation unit 10 that grows silicon carbide single crystals to produce large-diameter single crystals, a control unit 50 that controls single crystal generation unit 10, an operation panel 60, and a memory unit 61. Single crystal generation unit 10 and control unit 50 are spaced apart so that control unit 50 is not affected by heat radiated from single crystal generation unit 10. "Large diameter" refers to a large diameter of the silicon carbide single crystal; for example, single crystals with diameters of 6 inches or more or 8 inches or more can be produced using sublimation growth apparatus 1. Therefore, sublimation growth apparatus 1 can also be called a manufacturing apparatus for producing silicon carbide single crystals, and this sublimation growth apparatus 1 can be used to carry out a method for manufacturing silicon carbide single crystals.
(単結晶生成部10の構成)
単結晶生成部10は、チャンバー11と、原料Bが収容される容器20と、種結晶Aを支持する支持部材30と、誘導加熱源41~43と、抵抗加熱源44とを備えている。誘導加熱源41~43及び抵抗加熱源44は、容器20に収容された原料Bを昇華温度まで加熱するためのものであり、抵抗加熱源44を第1加熱源とし、誘導加熱源41~43を第2加熱源とすることができる。チャンバー11は、例えば石英等で構成された水冷式チャンバーであり、内部を真空状態で保持可能な気密性を持っている。チャンバー11には、図示しないが真空引きを行うための真空引き装置(高真空排気装置)が接続されており、単結晶の製造を開始する前に、真空引き装置によってチャンバー11内が真空状態とされる。また、チャンバー11には、冷却水が流通する水路(図示せず)も設けられている。
(Configuration of single crystal generating unit 10)
The single crystal growing unit 10 includes a chamber 11, a container 20 containing raw material B, a support member 30 supporting a seed crystal A, induction heating sources 41-43, and a resistance heating source 44. The induction heating sources 41-43 and the resistance heating source 44 heat the raw material B contained in the container 20 to its sublimation temperature. The resistance heating source 44 can be used as a first heating source, and the induction heating sources 41-43 can be used as second heating sources. The chamber 11 is a water-cooled chamber made of, for example, quartz, and is airtight enough to maintain a vacuum state inside. A vacuum device (high vacuum exhaust device) for vacuuming is connected to the chamber 11 (not shown). Before starting single crystal production, the chamber 11 is evacuated by the vacuum device. The chamber 11 also includes a water channel (not shown) through which cooling water flows.
容器20は、昇華成長装置1に用いられる昇華成長装置用原料容器であり、その全体がチャンバー11内に収容される。図2~図4に示すように、容器20は、底壁部21と、周壁部22とを有している。底壁部21は、平面視で円形をなす底板材21Aで構成されており、この底板材21Aが水平な姿勢となるようにチャンバー11内に設置される。底板材21Aの径方向の中心を通る鉛直線が容器20の軸線200となり、容器20は軸線200を対称軸とした回転対称形状である。 Container 20 is a source container for the sublimation growth apparatus 1, and is housed entirely within chamber 11. As shown in Figures 2 to 4, container 20 has a bottom wall 21 and a peripheral wall 22. Bottom wall 21 is composed of a bottom plate 21A that is circular in plan view, and is installed within chamber 11 so that bottom plate 21A is horizontal. A vertical line passing through the radial center of bottom plate 21A is the axis 200 of container 20, and container 20 has a rotationally symmetrical shape with axis 200 as its axis of symmetry.
図4に示すように、底板材21Aの周縁部には、上方へ突出するとともに周方向に連続して延びる環状部21aが一体成形されている。環状部31aが一体成形されていることで、底板材21Aの剛性が向上する。環状部21aの上部における外周側には、上方へ突出して周方向に連続して延びる下側突出部21bが形成されている。 As shown in Figure 4, an annular portion 21a that protrudes upward and extends continuously in the circumferential direction is integrally formed on the peripheral edge of the bottom plate material 21A. The integral formation of the annular portion 31a improves the rigidity of the bottom plate material 21A. A lower protrusion 21b that protrudes upward and extends continuously in the circumferential direction is formed on the outer peripheral side of the upper part of the annular portion 21a.
底板材21Aの中央部には、当該底板材21Aの厚み方向である上下方向に貫通する貫通孔21cが形成されている。貫通孔21cは円形であり、当該貫通孔21cの径方向の中心と底板材21Aの径方向の中心とは一致している。底板材21Aの上面(容器内面)には、窪み部21dが設けられている。この窪み部21dは、貫通孔21cを囲むように環状に延びている。また、底板材21Aの下面(容器外面)には、下方へ突出する突条部21eが形成されている。突条部21eも貫通孔21cを囲むように環状に延びている。 A through-hole 21c is formed in the center of the bottom plate material 21A, penetrating in the vertical direction, which is the thickness direction of the bottom plate material 21A. The through-hole 21c is circular, and the radial center of the through-hole 21c coincides with the radial center of the bottom plate material 21A. A recess 21d is formed in the upper surface (inner surface of the container) of the bottom plate material 21A. This recess 21d extends in an annular shape to surround the through-hole 21c. In addition, a protrusion 21e that protrudes downward is formed on the lower surface (outer surface of the container) of the bottom plate material 21A. The protrusion 21e also extends in an annular shape to surround the through-hole 21c.
図1にも示すように、周壁部22は、底板材21Aの上に配設されるとともに、円環状の誘導加熱源41~43内に配置される。図2~図4等に示すように、周壁部22は、平面視で円環状をなすとともに導電性材料からなる複数の周壁構成部材22A~22Gが上下方向に接続されて構成されている。この実施形態では、7つの周壁構成部材22A~22Gが組み合わされることによって円筒状の周壁部22が構成されているが、周壁構成部材の数は7つに限られるものではなく、6つ以下の任意の数であってもよいし、8つ以上の任意の数であってもよい。 As shown in Figure 1, the peripheral wall portion 22 is disposed on the bottom plate material 21A and is located within the annular induction heating sources 41-43. As shown in Figures 2-4, the peripheral wall portion 22 is annular in plan view and is configured by connecting multiple peripheral wall components 22A-22G made of conductive material in the vertical direction. In this embodiment, the cylindrical peripheral wall portion 22 is configured by combining seven peripheral wall components 22A-22G, but the number of peripheral wall components is not limited to seven and may be any number of six or less, or any number of eight or more.
周壁構成部材22A~22Gのうち、最も下に位置する部材を第1の周壁構成部材22Aとし、第1の周壁構成部材22Aの上に重ねられた状態で接続される部材を第2の周壁構成部材22Bとし、第2の周壁構成部材22Bの上に重ねられた状態で接続される部材を第3の周壁構成部材22Cとし、第3の周壁構成部材22Cの上に重ねられた状態で接続される部材を第4の周壁構成部材22Dとし、第4の周壁構成部材22Dの上に重ねられた状態で接続される部材を第5の周壁構成部材22Eとし、第5の周壁構成部材22Eの上に重ねられた状態で接続される部材を第6の周壁構成部材22Fとし、第6の周壁構成部材22Fの上に重ねられた状態で接続される部材を第7の周壁構成部材22Gとする。第1~第7の周壁構成部材22A~22Gは、同じ形状及び同じ大きさの部材、即ち、同じ部材である。これにより、共通の部材で周壁構成部材22A~22Gを構成することができるので、コストを低減できる。 Of the peripheral wall constituent members 22A-22G, the lowest one is designated the first peripheral wall constituent member 22A, the member connected to the first peripheral wall constituent member 22A while overlapping it is designated the second peripheral wall constituent member 22B, the member connected to the second peripheral wall constituent member 22B while overlapping it is designated the third peripheral wall constituent member 22C, the member connected to the third peripheral wall constituent member 22C while overlapping it is designated the fourth peripheral wall constituent member 22D, the member connected to the fourth peripheral wall constituent member 22D while overlapping it is designated the fifth peripheral wall constituent member 22E, the member connected to the fifth peripheral wall constituent member 22E while overlapping it is designated the sixth peripheral wall constituent member 22F, and the member connected to the sixth peripheral wall constituent member 22F while overlapping it is designated the seventh peripheral wall constituent member 22G. The first to seventh peripheral wall constituent members 22A-22G are members of the same shape and size, i.e., the same members. This allows the peripheral wall components 22A-22G to be constructed using common materials, reducing costs.
図4に示すように、第1の周壁構成部材22Aの下部における外周側には、底板材21Aの下側突出部21bが収容される第1凹部22aが形成されている。第1凹部22aは、第1の周壁構成部材22Aの周方向に連続して延びている。底板材21Aの下側突出部21bが第1凹部22aに収容されると両者が嵌合した状態になり、第1の周壁構成部材22Aが底板材21Aに対して径方向に相対移動するのが阻止される。このように凹凸嵌合させることで、容器20の気密性も高めることができる。周壁構成部材22A~22Gの結合構造も同様である。 As shown in Figure 4, a first recess 22a is formed on the outer circumferential side of the lower portion of the first peripheral wall component 22A, into which the lower protrusion 21b of the bottom plate material 21A is accommodated. The first recess 22a extends continuously in the circumferential direction of the first peripheral wall component 22A. When the lower protrusion 21b of the bottom plate material 21A is accommodated in the first recess 22a, the two are fitted together, preventing relative radial movement of the first peripheral wall component 22A with respect to the bottom plate material 21A. This concave-convex fit also improves the airtightness of the container 20. The same applies to the joining structure of the peripheral wall components 22A-22G.
第1の周壁構成部材22Aの上部における外周側には、上方へ突出して周方向に延びる第1突出部22bが形成されている。この第1突出部22bの形状及び大きさは、底板材21Aの下側突出部21bの形状及び大きさと同じである。 A first protrusion 22b that protrudes upward and extends circumferentially is formed on the outer periphery of the upper portion of the first peripheral wall component 22A. The shape and size of this first protrusion 22b are the same as the shape and size of the lower protrusion 21b of the bottom plate material 21A.
第2の周壁構成部材22Bの下部における外周側には、第1の周壁構成部材22Aの第1突出部22bが収容される第2凹部22cが形成されている。第2凹部22cの形状及び大きさは、第1凹部22aの形状及び大きさと同じである。第1の周壁構成部材22Aの第1突出部22bが第2の周壁構成部材22Bの第2凹部22cに収容されると両者が嵌合した状態になり、第2の周壁構成部材22Bが第1の周壁構成部材22Aに対して径方向に相対移動するのが阻止される。 A second recess 22c is formed on the outer peripheral side of the lower part of the second peripheral wall component 22B, into which the first protrusion 22b of the first peripheral wall component 22A is accommodated. The shape and size of the second recess 22c are the same as those of the first recess 22a. When the first protrusion 22b of the first peripheral wall component 22A is accommodated in the second recess 22c of the second peripheral wall component 22B, the two are fitted together, and radial movement of the second peripheral wall component 22B relative to the first peripheral wall component 22A is prevented.
同様に、第2の周壁構成部材22Bの上部における外周側には、上方へ突出して周方向に延びる第2突出部22dが形成され、第3の周壁構成部材22Cの下部における外周側には、第2の周壁構成部材22Bの第2突出部22dが収容される第3凹部22eが形成されている。第3~第7周壁構成部材22C~22Gも同様である。これにより、第1~第7の周壁構成部材22A~22Gが相対的に径方向に相対移動することはなく、所定形状の周壁部22が構成される。 Similarly, a second protrusion 22d that protrudes upward and extends circumferentially is formed on the outer peripheral side of the upper part of the second peripheral wall component 22B, and a third recess 22e that accommodates the second protrusion 22d of the second peripheral wall component 22B is formed on the outer peripheral side of the lower part of the third peripheral wall component 22C. The same is true for the third to seventh peripheral wall component members 22C to 22G. As a result, the first to seventh peripheral wall component members 22A to 22G do not move radially relative to each other, and a peripheral wall portion 22 with a predetermined shape is formed.
底板材21A及び第1~第7の周壁構成部材22A~22Gは、導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えば不純物の含有量が極めて少ない高純度な黒鉛で構成されており、この導電性材料の比抵抗値は10-5Ωcm以上10-2Ωcm以下である。比抵抗値をこの範囲に設定しておくことで、後述する誘導加熱源41~43による誘導加熱時に渦電流を効率良く発生させることができ、原料Bの加熱効率が高まる。黒鉛には微量の不純物が含まれていてよく、含まれ得る不純物としては、例えばB、Na、K、Si、Mg、Al、Fe、Ca等を挙げることができる。これら元素が微量に含まれていても、加熱効率には大きく影響しない。 The bottom plate material 21A and the first to seventh peripheral wall components 22A to 22G are made of a conductive material. The conductive material is, for example, high-purity graphite with an extremely low impurity content, and the specific resistance of this conductive material is 10 −5 Ωcm or more and 10 −2 Ωcm or less. By setting the specific resistance within this range, eddy currents can be efficiently generated during induction heating by the induction heating sources 41 to 43 described below, thereby improving the heating efficiency of the raw material B. The graphite may contain trace amounts of impurities, such as B, Na, K, Si, Mg, Al, Fe, and Ca. Even if trace amounts of these elements are present, the heating efficiency is not significantly affected.
この実施形態では、第1~第7の周壁構成部材22A~22Gを同じ部材で構成しているが、これに限られるものではない。例えば、厚みまたは上下方向の寸法が互いに異なる第1~第7の周壁構成部材22A~22Gを上下方向に接続することによって周壁部22が構成されていてもよい。すなわち、第1~第7の周壁構成部材22A~22Gの厚みや上下方向の寸法が異なると、誘導加熱源41~43による誘導加熱時の渦電流密度が変化することになり、ひいては容器20の部位による加熱温度の制御が可能になる。 In this embodiment, the first through seventh peripheral wall constituent members 22A-22G are made of the same material, but this is not limited to this. For example, the peripheral wall portion 22 may be formed by vertically connecting the first through seventh peripheral wall constituent members 22A-22G that have different thicknesses or vertical dimensions. In other words, if the first through seventh peripheral wall constituent members 22A-22G have different thicknesses or vertical dimensions, the eddy current density during induction heating by the induction heating sources 41-43 will change, and it will become possible to control the heating temperature depending on the location of the container 20.
また、容器20が底板材21A及び複数の周壁構成部材22A~22Gで構成されることになるので、一体成形する場合に比べて各部品が小さくなり、製造が容易になる。また、底板材21A及び複数の周壁構成部材22A~22Gのうち、一部が損傷した場合には、損傷した部材のみ交換すればよく、メンテナンスのコストが低減される。 Furthermore, because the container 20 is composed of a bottom plate material 21A and multiple peripheral wall components 22A-22G, each part is smaller than if they were molded as a single unit, making manufacturing easier. Furthermore, if any of the bottom plate material 21A or multiple peripheral wall components 22A-22G is damaged, only the damaged component needs to be replaced, reducing maintenance costs.
容器20の内部には、抵抗加熱源44をカバーするためのカバー部材23と、複数の原料ポッド24とが設けられている。カバー部材23は、円筒部23aと、上板部23bとを有しており、全体が上記導電性材料で構成されている。円筒部23aの下端部には径方向外方へ突出して周方向に連続して延びるフランジ部23cが形成されている。このフランジ部23cが底板材21Aの窪み部21dに入って嵌合するようになっている。フランジ部23cが窪み部21dに嵌合した状態で、カバー部材23が底板材21Aに対して径方向に相対移動するのが阻止される。 The interior of the container 20 is provided with a cover member 23 for covering the resistance heating source 44 and multiple raw material pods 24. The cover member 23 has a cylindrical portion 23a and an upper plate portion 23b, and is entirely made of the above-mentioned conductive material. A flange portion 23c is formed at the lower end of the cylindrical portion 23a, protruding radially outward and extending continuously in the circumferential direction. This flange portion 23c is designed to fit into a recess portion 21d in the bottom plate material 21A. With the flange portion 23c fitted into the recess portion 21d, the cover member 23 is prevented from moving radially relative to the bottom plate material 21A.
円筒部23aの内径は、底板材21Aの貫通孔21cの内径と同じに設定されている。また、円筒部23aの軸線は、容器20の軸線200と一致しており、円筒部23aは平面視で容器20の中央部に配置される。円筒部23aの高さは、原料ポッド24の高さと同じか、原料ポッド24よりも高く設定されている。上板部23bは、円筒部23aの上端部に設けられており、当該円筒部23aの上端開口が上板部23bによって閉塞されている。一方、円筒部23aの下端部は下方に開口しており、これにより、カバー部材23は下方にのみ開放されることになる。 The inner diameter of the cylindrical portion 23a is set to be the same as the inner diameter of the through-hole 21c of the bottom plate material 21A. The axis of the cylindrical portion 23a coincides with the axis 200 of the container 20, and the cylindrical portion 23a is positioned in the center of the container 20 in a plan view. The height of the cylindrical portion 23a is set to be the same as or higher than the height of the raw material pod 24. The upper plate portion 23b is provided at the upper end of the cylindrical portion 23a, and the upper opening of the cylindrical portion 23a is closed by the upper plate portion 23b. Meanwhile, the lower end of the cylindrical portion 23a is open downward, meaning that the cover member 23 is only open downward.
原料ポッド24は、原料Bが収容される部材であり、図5に示すように底板材21Aの上面に載置される。この実施形態では、6つの原料ポッド24が貫通孔21cの周り、即ち容器20の軸線200を囲むように、等間隔に配置されている。尚、原料ポッド24の数は、6つに限られるものではなく、5つ以下の任意の数であってもよいし、7つ以上の任意の数であってもよい。また、原料ポッド24は等間隔に配置しなくてもよく、不等間隔に配置してもよい。 The raw material pods 24 are components that contain raw material B, and are placed on the upper surface of the bottom plate material 21A as shown in Figure 5. In this embodiment, six raw material pods 24 are arranged at equal intervals around the through-hole 21c, i.e., surrounding the axis 200 of the container 20. The number of raw material pods 24 is not limited to six, and may be any number up to five, or any number of seven or more. Furthermore, the raw material pods 24 do not have to be arranged at equal intervals, and may also be arranged at uneven intervals.
6つの原料ポッド24は、全て同じ形状及び同じ大きさの部材で構成されている。これにより、共通の部材で原料ポッド24を構成することができるので、コストを低減できるとともに、各原料ポッド24内の原料Bの加熱温度を均一化することができる。 All six raw material pods 24 are constructed from materials of the same shape and size. This allows the raw material pods 24 to be constructed from common materials, reducing costs and ensuring uniform heating temperatures for raw material B in each raw material pod 24.
図6に示すように、各原料ポッド24は、ポッド本体24aと、蓋部材24bとを備えている。ポッド本体24a及び蓋部材24bは、全体が上記導電性材料で構成されている。ポッド本体24aは有底の円筒形状をなしており、外径はカバー部材23の円筒部23aの外径よりも小径に設定されている。尚、ポッド本体24aの外径は、カバー部材23の円筒部23aの外径と同じであってもよいし、円筒部23aの外径より大径であってもよい。 As shown in FIG. 6, each raw material pod 24 comprises a pod body 24a and a lid member 24b. The pod body 24a and lid member 24b are entirely made of the above-mentioned conductive material. The pod body 24a has a cylindrical shape with a bottom, and its outer diameter is set to be smaller than the outer diameter of the cylindrical portion 23a of the cover member 23. The outer diameter of the pod body 24a may be the same as the outer diameter of the cylindrical portion 23a of the cover member 23, or may be larger than the outer diameter of the cylindrical portion 23a.
ポッド本体24aの高さは、カバー部材23の円筒部23aの高さと略同じに設定されている。すなわち、ポッド本体24aの高さと、円筒部23aの高さとが略同じになるように、ポッド本体24aの高さ方向の寸法及び円筒部23aの高さ方向の寸法が設定されている。尚、ポッド本体24aの高さは、カバー部材23の円筒部23aの高さより高くてもよいし、低くてもよい。 The height of the pod body 24a is set to be approximately the same as the height of the cylindrical portion 23a of the cover member 23. In other words, the height dimensions of the pod body 24a and the cylindrical portion 23a are set so that the height of the pod body 24a and the height of the cylindrical portion 23a are approximately the same. Note that the height of the pod body 24a may be higher or lower than the height of the cylindrical portion 23a of the cover member 23.
蓋部材24bは、ポッド本体24aの上端部を覆うように設けられており、円形の板状部材で構成されている。蓋部材24bには、ポッド本体24a内の原料Bが昇華することによって生成された昇華ガスを排気するための排気口24cが当該蓋部材24bを上下方向に貫通するように設けられている。つまり、原料ポッド24の上側部分に排気口24cが設けられていることで、ポッド本体24a内で生成された昇華ガスを効率良く原料ポッド24の外部に放出させることができる。排気口24cは、原料ポッド24の上端部に開口しているので、上端開口である。尚、蓋部材24bは必要に応じて設ければよく、蓋部材24bを省略してもよい。 The lid member 24b is provided to cover the upper end of the pod body 24a and is composed of a circular plate-shaped member. The lid member 24b is provided with an exhaust port 24c that penetrates the lid member 24b in the vertical direction, for exhausting the sublimation gas generated by the sublimation of the raw material B in the pod body 24a. In other words, by providing the exhaust port 24c in the upper part of the raw material pod 24, the sublimation gas generated within the pod body 24a can be efficiently released to the outside of the raw material pod 24. The exhaust port 24c opens at the upper end of the raw material pod 24, and is therefore an upper-end opening. The lid member 24b may be provided as needed, and may be omitted.
排気口24cは、蓋部材24bの中心部から径方向に偏心した部位に位置している。この実施形態では、排気口24cが、蓋部材24bにおける容器20の軸線200に接近する側に位置するようになっている。尚、排気口24cは、蓋部材24bの中心部に設けられていてもよいし、容器20の軸線200から離れた側に位置するように設けられていてもよい。また、排気口24cは蓋部材24bに1つだけ設けてもよいし、2つ以上設けてもよい。 The exhaust port 24c is located at a position radially eccentric from the center of the lid member 24b. In this embodiment, the exhaust port 24c is located on the side of the lid member 24b that is closer to the axis 200 of the container 20. The exhaust port 24c may be located at the center of the lid member 24b, or on the side that is farther from the axis 200 of the container 20. The lid member 24b may have only one exhaust port 24c, or two or more exhaust ports 24c.
排気口24cの形状は円形である。排気口24cの径は、1mm以上30mm以下の範囲で設定されている。すなわち、排気口24cの径が1mmよりも小さいと、排気口24cが詰まりやすくなって単結晶の成長を阻害してしまう。一方、排気口24cの径が30mmよりも大きいと、原料ポッド24から大きな蒸発物が出やすくなり、単結晶の品質が悪化しやすくなる。よって、排気口24cの径を上記範囲にすることで、単結晶の安定した成長と品質の向上を図ることができる。 The exhaust port 24c is circular in shape. The diameter of the exhaust port 24c is set in the range of 1 mm to 30 mm. In other words, if the diameter of the exhaust port 24c is smaller than 1 mm, the exhaust port 24c is more likely to become clogged, hindering the growth of the single crystal. On the other hand, if the diameter of the exhaust port 24c is larger than 30 mm, large vapors are more likely to be released from the raw material pod 24, which can lead to a deterioration in the quality of the single crystal. Therefore, by setting the diameter of the exhaust port 24c within the above range, stable growth and improved quality of the single crystal can be achieved.
この実施形態では、原料Bを加熱する加熱源として、互いに間隔をあけて配置された複数の誘導加熱源41~43と、誘導加熱源41~43とは別の箇所に配置された少なくとも1つの抵抗加熱源44とを含んでいる。以下、加熱源の詳細について説明する。 In this embodiment, the heat source for heating raw material B includes multiple induction heating sources 41-43 arranged at intervals from one another, and at least one resistance heating source 44 arranged in a location separate from the induction heating sources 41-43. Details of the heat sources are described below.
誘導加熱源41~43は、上側誘導加熱源(第1の誘導加熱源)41と、中間誘導加熱源(第2の誘導加熱源)42と、下側誘導加熱源43とを含んでいる。上側誘導加熱源41、中間誘導加熱源42及び下側誘導加熱源43は、チャンバー11の外径よりも大径の円環状に形成された導線からなる誘導加熱コイルを有しており、この誘導加熱コイルに電流を流すことで、内側の部材に対して誘導加熱が可能に構成されている。上側誘導加熱源41、中間誘導加熱源42及び下側誘導加熱源43は、図示しない固定部材により、チャンバー11に固定しておくことができる。 The induction heating sources 41-43 include an upper induction heating source (first induction heating source) 41, an intermediate induction heating source (second induction heating source) 42, and a lower induction heating source 43. The upper induction heating source 41, intermediate induction heating source 42, and lower induction heating source 43 each have an induction heating coil made of a conductor formed in a circular ring shape with a diameter larger than the outer diameter of the chamber 11, and are configured so that induction heating can be applied to the inner components by passing a current through this induction heating coil. The upper induction heating source 41, intermediate induction heating source 42, and lower induction heating source 43 can be fixed to the chamber 11 by fixing members (not shown).
上側誘導加熱源41は、容器20の周壁部22の外側において上端部寄りに配置されるとともに、当該周壁部22を外側(チャンバー11の外側)から囲むように配置されている。上側誘導加熱源41の高さ(上下方向の位置)は、原料ポッド24の上端部及びカバー部材23の上端部よりも高くなっており、第7の周壁構成部材22Gと略同じ高さとなっている。下側誘導加熱源43は、容器20の周壁部22の外側において下端部寄りに配置されるとともに、当該周壁部22を外側(チャンバー11の外側)から囲むように配置されている。下側誘導加熱源43の高さは、原料ポッド24の下端部及びカバー部材23の下端部と略同じ高さであり、第1の周壁構成部材22Aと略同じ高さとなるように設定されている。また、中間誘導加熱源42は、周壁部22の外側において下側誘導加熱源43と上側誘導加熱源41との間に配置されている。中間誘導加熱源42の高さは、原料ポッド24の上端部及びカバー部材23の上端部と略同じ高さに設定されている。 The upper induction heating source 41 is disposed outside the peripheral wall 22 of the container 20 near the upper end, surrounding the peripheral wall 22 from the outside (outside the chamber 11). The height (vertical position) of the upper induction heating source 41 is higher than the upper end of the ingredient pod 24 and the upper end of the cover member 23, and is approximately the same height as the seventh peripheral wall component 22G. The lower induction heating source 43 is disposed outside the peripheral wall 22 of the container 20 near the lower end, surrounding the peripheral wall 22 from the outside (outside the chamber 11). The height of the lower induction heating source 43 is approximately the same height as the lower end of the ingredient pod 24 and the lower end of the cover member 23, and is set to be approximately the same height as the first peripheral wall component 22A. The intermediate induction heating source 42 is disposed outside the peripheral wall 22 between the lower induction heating source 43 and the upper induction heating source 41. The height of the intermediate induction heating source 42 is set to approximately the same height as the upper end of the raw material pod 24 and the upper end of the cover member 23.
また、上側誘導加熱源41と中間誘導加熱源42との間には隙間が形成されており、上側誘導加熱源41と中間誘導加熱源42とは上下方向に第1の所定距離だけ離れて配置されている。また、中間誘導加熱源42と下側誘導加熱源43との間にも隙間が形成されており、中間誘導加熱源42と下側誘導加熱源43とは上下方向に第2の所定距離だけ離れて配置されている。第1の所定距離と第2の所定距離とは同じであってもよいし、異なっていてもよい。 A gap is formed between the upper induction heating source 41 and the intermediate induction heating source 42, and the upper induction heating source 41 and the intermediate induction heating source 42 are arranged vertically apart by a first predetermined distance. A gap is also formed between the intermediate induction heating source 42 and the lower induction heating source 43, and the intermediate induction heating source 42 and the lower induction heating source 43 are arranged vertically apart by a second predetermined distance. The first predetermined distance and the second predetermined distance may be the same or different.
上側誘導加熱源41、中間誘導加熱源42及び下側誘導加熱源43による単位時間あたりの加熱能力は、使用されている導線の径や巻き数等、導線に流す電流値等によって任意に設定することができる。下側誘導加熱源43の単位時間あたりの加熱能力は、上側誘導加熱源41の単位時間あたりの加熱能力よりも高く設定され、また、下側誘導加熱源43の単位時間あたりの加熱能力は、中間誘導加熱源42の単位時間あたりの加熱能力よりも高く設定されている。つまり、上側誘導加熱源41、中間誘導加熱源42及び下側誘導加熱源43のうち、下側誘導加熱源43の加熱能力が最も高くなっている。上側誘導加熱源41及び中間誘導加熱源42の加熱能力は、同じであってもよいし、上側誘導加熱源41の方が高くてもよいし、中間誘導加熱源42の方が高くてもよい。 The heating capacity per unit time of the upper induction heating source 41, intermediate induction heating source 42, and lower induction heating source 43 can be set as desired depending on the diameter and number of turns of the conductor wire used, the current value passed through the conductor wire, etc. The heating capacity per unit time of the lower induction heating source 43 is set higher than that of the upper induction heating source 41, and the heating capacity per unit time of the lower induction heating source 43 is set higher than that of the intermediate induction heating source 42. In other words, of the upper induction heating source 41, intermediate induction heating source 42, and lower induction heating source 43, the lower induction heating source 43 has the highest heating capacity. The heating capacity of the upper induction heating source 41 and intermediate induction heating source 42 may be the same, or the upper induction heating source 41 or the intermediate induction heating source 42 may be higher.
尚、誘導加熱源の数は3つに限られるものではなく、2つ以下であってもよいし、4つ以上であってもよい。 The number of induction heating sources is not limited to three, but may be two or less, or four or more.
抵抗加熱源44は、容器20を構成する底壁部21から周壁部22で囲まれた空間内に向けて突出するように配置されている。具体的には、抵抗加熱源44はジュール熱を発生する導体を有しており、この導体が上下方向に長く延びるように形成されている。抵抗加熱源44の上下方向の寸法は、複数の周壁構成部材22A~22Gの上下方向の寸法を合わせた寸法よりも長く設定されている。抵抗加熱源44は、その長手方向が上下方向に向くように配置されて、底板材21Aの貫通孔21c内からカバー部材23の円筒部23a内に達するように設けられている。円筒部23a内の径方向中央部に抵抗加熱源44が位置するように、図示しない固定部材によって抵抗加熱源44がチャンバー11等に固定されている。これにより、抵抗加熱源44は、平面視で容器20の中央部に配置されることになる。また、複数の原料ポッド24と抵抗加熱源44との位置関係は、複数の原料ポッド24が抵抗加熱源44を囲むように配置されることになる。 The resistance heating source 44 is positioned so that it protrudes from the bottom wall 21 of the vessel 20 into the space enclosed by the peripheral wall 22. Specifically, the resistance heating source 44 has a conductor that generates Joule heat, and this conductor is formed so that it extends vertically. The vertical dimension of the resistance heating source 44 is set to be longer than the combined vertical dimensions of the multiple peripheral wall components 22A-22G. The resistance heating source 44 is positioned so that its longitudinal direction faces the vertical direction, extending from within the through-hole 21c of the bottom plate 21A to the cylindrical portion 23a of the cover member 23. The resistance heating source 44 is fixed to the chamber 11 or the like by a fixing member (not shown) so that the resistance heating source 44 is located in the radial center of the cylindrical portion 23a. As a result, the resistance heating source 44 is positioned in the center of the vessel 20 in a plan view. Furthermore, the positional relationship between the multiple raw material pods 24 and the resistance heating source 44 is such that the multiple raw material pods 24 surround the resistance heating source 44.
上記のように配置された抵抗加熱源44の上端部は、原料ポッド24の上側部分と同じ高さに配置され、また抵抗加熱源44の下端部は、原料ポッド24の下側部分よりも下に配置される。これにより、抵抗加熱源44から放射された熱がカバー部材23を介して原料ポッド24の上側部分から下側部分まで伝わることになる。また、抵抗加熱源44は水平方向のどの方向にも熱を放射するように構成されている。これにより、複数の原料ポッド24を同じように加熱することができる。 The upper end of the resistance heating source 44 arranged as described above is positioned at the same height as the upper portion of the raw material pod 24, and the lower end of the resistance heating source 44 is positioned below the lower portion of the raw material pod 24. This allows heat radiated from the resistance heating source 44 to be transferred from the upper portion to the lower portion of the raw material pod 24 via the cover member 23. The resistance heating source 44 is also configured to radiate heat in any horizontal direction. This allows multiple raw material pods 24 to be heated in the same way.
図1に示すように、支持部材30は、容器20の内部における当該容器20の上部で種結晶Aを下向きに支持する部材である。具体的には、支持部材30は、チャンバー11内の上部に収容されるとともに、容器20の上端開口を覆うように配置された円形の板材で構成されており、支持部材30の下面に種結晶Aが設けられている。したがって、各原料ポッド24の排気口24cは種結晶Aの下方に配置されることになり、種結晶Aと各排気口24cとは上下方向に対向する位置関係となる。種結晶Aの成長方向が下方向になる。 As shown in FIG. 1, the support member 30 is a member that supports the seed crystal A facing downward at the top of the vessel 20 inside the vessel 20. Specifically, the support member 30 is housed in the upper part of the chamber 11 and is composed of a circular plate arranged to cover the top opening of the vessel 20, with the seed crystal A provided on the underside of the support member 30. Therefore, the exhaust port 24c of each raw material pod 24 is positioned below the seed crystal A, and the seed crystal A and each exhaust port 24c are positioned opposite each other in the vertical direction. The growth direction of the seed crystal A is downward.
単結晶生成部10は、支持部材30を上下方向に延びる軸周りに回転させる回転機構45を備えている。回転機構45は、電動モータ45aと、電動モータ45aの出力が伝達される回転軸45bとを備えている。回転軸45bは、鉛直方向に延びるとともにチャンバー11の上壁部を上下方向に貫通するように配置されており、回転軸45bの下側部分が支持部材30の径方向中心部に固定されている。チャンバー11の上壁部には、回転軸45bを回転可能に支持する軸受部材11aが設けられている。この軸受部材11aは、チャンバー11内の真空状態を維持可能なシール機構を持つとともに、加熱源から放射される熱にも耐え得るように構成されている。 The single crystal generating unit 10 is equipped with a rotation mechanism 45 that rotates the support member 30 around an axis extending in the vertical direction. The rotation mechanism 45 is equipped with an electric motor 45a and a rotation shaft 45b to which the output of the electric motor 45a is transmitted. The rotation shaft 45b extends vertically and is positioned so as to penetrate the upper wall of the chamber 11 in the vertical direction, with the lower portion of the rotation shaft 45b fixed to the radial center of the support member 30. A bearing member 11a that rotatably supports the rotation shaft 45b is provided on the upper wall of the chamber 11. This bearing member 11a has a sealing mechanism that can maintain the vacuum state within the chamber 11 and is configured to withstand heat radiated from the heating source.
電動モータ45aの出力は伝動歯車45cや伝動チェーン(図示せず)等を介して回転軸45bに伝達される。これにより、支持部材30が各原料ポッド24の排気口24cの上方で回転する。支持部材30の回転速度は、電動モータ45aを制御装置50によって制御することで変更することができ、支持部材30の回転方向の切替、回転開始及び停止のタイミングも、電動モータ45aを制御装置50によって制御することで可能になる。尚、伝動歯車45cや伝動チェーン等を介することなく、支持部材30を電動モータ45aで直接駆動してもよい。 The output of the electric motor 45a is transmitted to the rotating shaft 45b via a transmission gear 45c, a transmission chain (not shown), etc. This causes the support member 30 to rotate above the exhaust port 24c of each raw material pod 24. The rotation speed of the support member 30 can be changed by controlling the electric motor 45a with the control device 50, and the rotation direction of the support member 30 and the timing of starting and stopping rotation can also be changed by controlling the electric motor 45a with the control device 50. Note that the support member 30 may also be driven directly by the electric motor 45a without the use of a transmission gear 45c, a transmission chain, etc.
容器20における種結晶Aよりも上側部分には、原料の昇華ガスを排出するガス排出口25が設けられている。ガス排出口25が種結晶Aよりも上方に位置していることで、種結晶Aよりも下で発生した昇華ガスを上方へ流して種結晶Aに導くことが可能になる。ガス排出口25は、支持部材30の周囲と容器20の上端開口の周縁部との間に形成されている。図示しないが、支持部材30における種結晶Aの周りにガス排出口25を形成してもよい。また、ガス排出口25を複数形成してもよく、この場合、複数のガス排出口25を容器20の周方向に互いに間隔をあけて配置するのが好ましい。ガス排出口25の径は、原料ポッド24の排気口24cの径と同様に設定することができる。また、ガス排出口25は容器20の周方向に長いスリット状であってもよい。 A gas outlet 25 for discharging sublimation gas from the raw material is provided in the container 20 above the seed crystal A. Positioning the gas outlet 25 above the seed crystal A allows sublimation gas generated below the seed crystal A to flow upward and be guided to the seed crystal A. The gas outlet 25 is formed between the periphery of the support member 30 and the peripheral edge of the upper opening of the container 20. Although not shown, the gas outlet 25 may be formed around the seed crystal A on the support member 30. Multiple gas outlets 25 may also be formed. In this case, it is preferable to arrange the multiple gas outlets 25 at intervals around the circumference of the container 20. The diameter of the gas outlet 25 can be set to the same diameter as the exhaust port 24c of the raw material pod 24. The gas outlet 25 may also be a slit-shaped outlet that is long in the circumferential direction of the container 20.
単結晶生成部10は、容器20の温度状態を取得して制御装置50に出力する上側温度センサ(第1温度センサ)46と下側温度センサ(第2温度センサ)47とを備えている。上側温度センサ46及び下側温度センサ47は、温度の計測対象物に接触することなく、計測対象物から放射される赤外線に基づいて温度を計測する赤外放射温度計で構成されている。上側温度センサ46は、チャンバー11の上壁部と対向するように配置されており、直接的にはチャンバー11の上壁部の温度を計測することになるが、このチャンバー11の上壁部と容器20の上部とは接近しているので、チャンバー11の上壁部の温度を計測することで容器20の上部の温度状態を取得することができる。例えば、予め実験等により、チャンバー11の上壁部と容器20の上部との温度の関係を得ておくことで、チャンバー11の上壁部の温度を計測するだけで、容器20の上部の温度の推定が可能になる。推定によって得られた温度は、容器20の上部の温度状態として後述するPID制御で使用される。 The single crystal growing unit 10 is equipped with an upper temperature sensor (first temperature sensor) 46 and a lower temperature sensor (second temperature sensor) 47, which acquire the temperature of the vessel 20 and output the acquired data to the control device 50. The upper temperature sensor 46 and the lower temperature sensor 47 are infrared thermometers that measure the temperature based on infrared radiation emitted from an object without contacting the object. The upper temperature sensor 46 is positioned opposite the upper wall of the chamber 11 and directly measures the temperature of the upper wall of the chamber 11. However, since the upper wall of the chamber 11 and the upper part of the vessel 20 are close to each other, the temperature of the upper part of the vessel 20 can be acquired by measuring the temperature of the upper wall of the chamber 11. For example, by determining the temperature relationship between the upper wall of the chamber 11 and the upper part of the vessel 20 through prior experimentation, the temperature of the upper part of the vessel 20 can be estimated simply by measuring the temperature of the upper wall of the chamber 11. The estimated temperature is used as the temperature of the upper part of the vessel 20 in the PID control described below.
下側温度センサ47は、チャンバー11の下壁部と対向するように配置されており、直接的にはチャンバー11の下壁部の温度を計測することになるが、上側温度センサ46の場合と同様に、予め実験等により、チャンバー11の下壁部と容器20の下部(底壁部21)との関係を得ておくことで、チャンバー11の下壁部の温度を計測するだけで、容器20の下部の温度の推定が可能になる。推定によって得られた温度は、容器20の下部の温度状態として後述するPID制御で使用される。 The lower temperature sensor 47 is positioned opposite the lower wall of the chamber 11 and directly measures the temperature of the lower wall of the chamber 11. However, as with the upper temperature sensor 46, by determining the relationship between the lower wall of the chamber 11 and the lower part of the container 20 (bottom wall 21) in advance through experiments, etc., it becomes possible to estimate the temperature of the lower part of the container 20 simply by measuring the temperature of the lower wall of the chamber 11. The estimated temperature is used in the PID control described below as the temperature state of the lower part of the container 20.
尚、容器20の温度を直接計測可能な温度センサがあれば、その温度センサを用いることで容器20の温度状態を正確に得ることができる。上記した上側温度センサ46及び下側温度センサ47の推定による温度状態の取得であっても、原料Bを狙い通りに昇華させることができるように各加熱源の制御が可能である。また、温度センサの数は、2つに限られるものではなく、1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。上側温度センサ46及び下側温度センサ47は、誘導加熱源41~43から離れた部位の温度を計測するように配置されているので、容器20の温度の推定結果が正確なものになる。上側温度センサ46の出力値に基づいて上側誘導加熱源41の加熱制御を行ってもよいし、上側温度センサ46及び下側温度センサ47の両方の出力値に基づいて誘導加熱源41~43、抵抗加熱源44の加熱制御を行ってもよい。また、容器20の側面の温度状態を取得する温度センサを設けてもよい。 If a temperature sensor capable of directly measuring the temperature of the container 20 is available, the temperature state of the container 20 can be accurately obtained by using that temperature sensor. Even when the temperature state is obtained based on estimates from the upper temperature sensor 46 and the lower temperature sensor 47 described above, it is possible to control each heat source so that raw material B can be sublimated as intended. The number of temperature sensors is not limited to two, and may be one, or three or more. The upper temperature sensor 46 and the lower temperature sensor 47 are positioned to measure temperatures at locations distant from the induction heating sources 41-43, ensuring accurate temperature estimation of the container 20. Heating control of the upper induction heating source 41 may be performed based on the output value of the upper temperature sensor 46, or heating control of the induction heating sources 41-43 and the resistance heating source 44 may be performed based on the output values of both the upper temperature sensor 46 and the lower temperature sensor 47. A temperature sensor may also be provided to obtain the temperature state of the side of the container 20.
(制御装置50の構成)
制御装置50は、誘導加熱源41~43、抵抗加熱源44及び回転機構45を制御するための装置であり、真空圧センサ51、ガス流量センサ52、PID制御部53、位相制御部54、電力制御モジュール55、電源回路56~58等を有している。PID制御部53及び位相制御部54は、例えばマイクロコンピュータ等のハードウエアやハードウエアで実行可能なソフトウエア等の組み合わせによって構成されている。位相制御部54、電力制御モジュール55及び電源回路56~58は、PID制御部53に接続されている。
(Configuration of the control device 50)
The control device 50 is a device for controlling the induction heating sources 41 to 43, the resistance heating source 44, and the rotation mechanism 45, and includes a vacuum pressure sensor 51, a gas flow sensor 52, a PID control unit 53, a phase control unit 54, a power control module 55, and power supply circuits 56 to 58. The PID control unit 53 and the phase control unit 54 are configured by a combination of hardware such as a microcomputer and software executable by the hardware. The phase control unit 54, the power control module 55, and the power supply circuits 56 to 58 are connected to the PID control unit 53.
真空圧センサ51は、チャンバー11内の圧力、即ちチャンバー11内の圧力が所定の圧力以下(真空状態となる圧力以下)であるか否かを検出するセンサである。本実施形態における真空状態とは、完全な真空でなくてもよく、高品質な単結晶が安定して得られる程度の真空であればよい。本例では、例えば10-3Pa未満の真空度を維持することができる。 The vacuum pressure sensor 51 is a sensor that detects the pressure inside the chamber 11, i.e., whether the pressure inside the chamber 11 is equal to or lower than a predetermined pressure (a pressure that creates a vacuum state). In this embodiment, the vacuum state does not have to be a complete vacuum, but rather a vacuum that allows high-quality single crystals to be obtained stably. In this example, a vacuum of less than 10 −3 Pa can be maintained, for example.
また、ガス流量センサ52は、チャンバー11内のガスの流量を計測するセンサである。真空圧センサ51及びガス流量センサ52は、PID制御部53に接続されている。 The gas flow sensor 52 is a sensor that measures the flow rate of gas within the chamber 11. The vacuum pressure sensor 51 and the gas flow sensor 52 are connected to the PID control unit 53.
電源回路56~58は、上側誘導加熱源41に電流を供給する上側電源回路(第1の電源回路)56と、中間誘導加熱源42に電流を供給する中間電源回路(第2の電源回路)57と、下側誘導加熱源43に電流を供給する下側電源回路58とを含んでいる。上側電源回路56、中間電源回路57及び下側電源回路58は、それぞれ独立したインバータ回路等で構成されており、下側電源回路58は、上側電源回路56及び中間電源回路57に比べて大きな電力の供給が可能に構成されている。一例を挙げると、下側電源回路58は、40kW~60kW程度の電力を下側誘導加熱源43に供給可能に構成されており、また上側電源回路56及び中間電源回路57は、20kW~35kW程度の電力を上側誘導加熱源41及び中間誘導加熱源42に供給可能に構成されている。これにより、大口径の単結晶の生成が可能になる。 The power supply circuits 56-58 include an upper power supply circuit (first power supply circuit) 56 that supplies current to the upper induction heating source 41, an intermediate power supply circuit (second power supply circuit) 57 that supplies current to the intermediate induction heating source 42, and a lower power supply circuit 58 that supplies current to the lower induction heating source 43. The upper power supply circuit 56, intermediate power supply circuit 57, and lower power supply circuit 58 are each composed of independent inverter circuits, etc., and the lower power supply circuit 58 is configured to be able to supply greater power than the upper power supply circuit 56 and intermediate power supply circuit 57. For example, the lower power supply circuit 58 is configured to be able to supply approximately 40 kW to 60 kW of power to the lower induction heating source 43, and the upper power supply circuit 56 and intermediate power supply circuit 57 are configured to be able to supply approximately 20 kW to 35 kW of power to the upper induction heating source 41 and intermediate induction heating source 42. This enables the production of large-diameter single crystals.
ここで、上記のように誘導加熱源41~43に供給される電力が大きいと、発熱容量増加に伴い、電源や整合器の電気容量が大きくなり、電源の出力周波数に限界が生じ、その結果、容器20へのエネルギー伝送効率が悪化して加熱効率が低下するおそれがある。このことに対して、本実施形態では、独立した複数の電源回路56~58から出力される電力における電圧の位相差を0にして、誘導加熱源41~43間の磁場干渉を抑制している。 Here, if the power supplied to the induction heating sources 41-43 is large as described above, the increased heat generation capacity will increase the electrical capacity of the power supply and matching box, placing a limit on the power supply's output frequency. As a result, the efficiency of energy transmission to the container 20 may deteriorate, resulting in reduced heating efficiency. In response to this, in this embodiment, the phase difference between the voltages of the power output from the multiple independent power supply circuits 56-58 is set to zero, suppressing magnetic field interference between the induction heating sources 41-43.
すなわち、制御装置50は、上側電源回路56によって上側誘導加熱源41に印加される電圧の位相と、中間電源回路57によって中間誘導加熱源42に印加される電圧の位相と、下側電源回路58によって下側誘導加熱源43に印加される電圧の位相との差を0とするように構成されている。これを実現するために、上側電源回路56、中間電源回路57及び下側電源回路58を制御装置50の位相制御部54に接続して信号の送受信が可能に構成されている。位相制御部54は、位相同期回路を有している。位相同期回路は、入力信号の位相と出力信号の位相とを一致させる位相同期ループ(PLL:Phase Locked Loop)で構成されており、上側電源回路56、中間電源回路57及び下側電源回路58から入力される信号に基づいて、上側電源回路56、中間電源回路57及び下側電源回路58から出力される電力における電圧の位相差を0にする制御を行う。また、電力制御モジュール55は、抵抗加熱源44に電力を供給するためのものである。 That is, the control device 50 is configured to zero the phase difference between the voltage applied to the upper induction heating source 41 by the upper power supply circuit 56, the voltage applied to the intermediate induction heating source 42 by the intermediate power supply circuit 57, and the voltage applied to the lower induction heating source 43 by the lower power supply circuit 58. To achieve this, the upper power supply circuit 56, the intermediate power supply circuit 57, and the lower power supply circuit 58 are connected to the phase control unit 54 of the control device 50 to enable signal transmission and reception. The phase control unit 54 has a phase-locked circuit. The phase-locked circuit is composed of a phase-locked loop (PLL) that matches the phase of the input signal with the phase of the output signal. Based on the signals input from the upper power supply circuit 56, the intermediate power supply circuit 57, and the lower power supply circuit 58, it performs control to zero the phase difference between the voltages in the power output from the upper power supply circuit 56, the intermediate power supply circuit 57, and the lower power supply circuit 58. The power control module 55 is also used to supply power to the resistance heating source 44.
PID制御部53には、上側温度センサ46、下側温度センサ47、真空圧センサ51及びガス流量センサ52が接続されている。PID制御部53は、上側温度センサ46及び下側温度センサ47から出力された値に基づいて容器20の現在の温度状態を取得することができる。容器20の内部に原料Bが収容されており、容器20が熱伝導の良好な材料で構成されているので、容器20の温度状態は原料Bの温度状態とほぼ同じである。よって、PID制御部53は、原料Bの温度状態も間接的に取得できる。 The PID control unit 53 is connected to the upper temperature sensor 46, the lower temperature sensor 47, the vacuum pressure sensor 51, and the gas flow sensor 52. The PID control unit 53 can obtain the current temperature state of the container 20 based on the values output from the upper temperature sensor 46 and the lower temperature sensor 47. Because raw material B is contained inside the container 20 and the container 20 is made of a material with good thermal conductivity, the temperature state of the container 20 is approximately the same as the temperature state of raw material B. Therefore, the PID control unit 53 can also indirectly obtain the temperature state of raw material B.
PID制御部53は、真空圧センサ51から出力された値に基づいてチャンバー11内が真空状態であるか否かを判定する。また、PID制御部53は、ガス流量センサ52から出力された値に基づいてチャンバー11内のガス流量を取得する。さらに、PID制御部53には操作盤60が接続されている。操作盤60には、各種設定を行うための操作スイッチ60aや、運転開始/停止を行うための操作スイッチ60a等が設けられている。ユーザは、操作盤60の操作スイッチ60aを操作することで、容器20の目標温度(設定温度)、容器20の昇温速度、容器20の加熱時間等の設定を行うことができる。設定された目標温度、昇温速度、加熱時間等は制御装置50や記憶部61等に記憶される。目標温度は、炭化ケイ素の粉末を昇華させることが可能な温度であり、例えば2000℃以上に設定される。 The PID control unit 53 determines whether a vacuum state exists within the chamber 11 based on the value output from the vacuum pressure sensor 51. The PID control unit 53 also obtains the gas flow rate within the chamber 11 based on the value output from the gas flow sensor 52. The PID control unit 53 is also connected to a control panel 60. The control panel 60 is provided with operation switches 60a for various settings and operation start/stop switches 60a. By operating the operation switches 60a on the control panel 60, the user can set the target temperature (set temperature) of the container 20, the heating rate of the container 20, the heating time of the container 20, etc. The set target temperature, heating rate, heating time, etc. are stored in the control device 50, memory unit 61, etc. The target temperature is a temperature at which silicon carbide powder can be sublimated, and is set to, for example, 2000°C or higher.
制御装置50は、誘導加熱源41~43と抵抗加熱源44とに同時に通電するように構成されている。通電制御を行う際、制御装置50は、予め設定された設定温度と温度センサ46、47から出力された容器20の温度状態とに基づくPID制御を実行することにより、誘導加熱源41~43と抵抗加熱源44とを制御する。すなわち、設定温度と、容器20の温度状態との偏差を求め、比例制御、積分制御、微分制御を組み合わせて制御量を演算する。上側温度センサ46及び下側温度センサ47の出力値や、電力の制御値等は、時系列データとして記憶部61に記憶されて管理される。 The control device 50 is configured to simultaneously energize the induction heating sources 41-43 and the resistance heating source 44. When controlling the energization, the control device 50 controls the induction heating sources 41-43 and the resistance heating source 44 by executing PID control based on a preset set temperature and the temperature state of the container 20 output from the temperature sensors 46 and 47. In other words, the deviation between the set temperature and the temperature state of the container 20 is determined, and the control amount is calculated by combining proportional control, integral control, and differential control. The output values of the upper temperature sensor 46 and the lower temperature sensor 47, the power control value, etc. are stored and managed as time-series data in the memory unit 61.
以下、図7に示すフローチャートに基づいて制御装置50による制御手順について説明する。このフローは、ユーザが操作盤60の操作スイッチ60aを操作して目標温度、昇温速度及び加熱時間等を設定し、単結晶の製造が開始されるとスタートする。また、スタートした時点から経過時間を計測し、ユーザが設定した加熱時間を経過した時点で上記フローを中断ないし終了する。尚、ユーザが加熱を停止する操作(製造中止操作)を行った場合にも、上記フローを中断ないし終了する。 The control procedure by the control device 50 will be explained below based on the flowchart shown in Figure 7. This flow starts when the user operates the operation switch 60a on the operation panel 60 to set the target temperature, heating rate, heating time, etc., and single crystal production begins. The elapsed time from the start is measured, and the above flow is interrupted or terminated when the heating time set by the user has elapsed. The above flow is also interrupted or terminated if the user performs an operation to stop heating (operation to stop production).
スタート後のステップS1では、現在温度の計測処理を実行する。現在温度の計測処理では、PID制御部53が、上側温度センサ46と下側温度センサ47で計測された現在の計測値を読み込む。現在の計測値は、容器20の温度(容器の推定温度)、即ち原料Bの温度(原料の推定温度)を示している。ステップS2では、ユーザが操作盤60で設定した目標温度、昇温速度及び加熱時間等の設定を読み込む。ステップS1とステップS2の順番は反対であってもよいし、ステップS1とステップS2を同時に実行してもよい。 In step S1 after starting, a current temperature measurement process is performed. In the current temperature measurement process, the PID control unit 53 reads the current measurement values measured by the upper temperature sensor 46 and the lower temperature sensor 47. The current measurement value indicates the temperature of the container 20 (estimated container temperature), i.e., the temperature of raw material B (estimated raw material temperature). In step S2, settings such as the target temperature, heating rate, and heating time set by the user on the operation panel 60 are read. The order of steps S1 and S2 may be reversed, or steps S1 and S2 may be performed simultaneously.
ステップS3では、PID制御部53が、上側、中間、下側電源回路56~58の出力設定値を読み込む。また、ステップS4では、PID制御部53が、電力制御モジュール55の出力設定値を読み込む。各出力設定値は、例えばステップS1で取得された現在温度に対して目標温度が高ければ高いほど大きな値になるように設定され、また昇温速度が速ければ速いほど大きな値になるように設定される。各出力設定値は、記憶部61等に記憶させておくことができる。ステップS3とステップS4の順番は反対であってもよいし、ステップS3とステップS4を同時に実行してもよい。 In step S3, the PID control unit 53 reads the output setting values of the upper, middle, and lower power supply circuits 56-58. In step S4, the PID control unit 53 reads the output setting value of the power control module 55. Each output setting value is set to a larger value the higher the target temperature is relative to the current temperature obtained in step S1, for example, and the faster the temperature rise rate is, the larger the value is. Each output setting value can be stored in the memory unit 61, etc. The order of steps S3 and S4 may be reversed, or steps S3 and S4 may be performed simultaneously.
ステップS5では、PID制御部53がPID制御を実行する。スタート後のはじめのフローのステップS6では、ステップS3で読み込まれた出力設定値の電力を出力するように、PID制御部53が上側、中間、下側電源回路56~58を制御し、また、ステップS4で読み込まれた出力設定値の電力を出力するように、PID制御部53が電力制御モジュール55を制御する。 In step S5, the PID control unit 53 performs PID control. In step S6 of the initial flow after starting, the PID control unit 53 controls the upper, middle, and lower power supply circuits 56-58 to output the power of the output setting value read in step S3, and also controls the power control module 55 to output the power of the output setting value read in step S4.
これにより、上側誘導加熱源41、中間誘導加熱源42及び下側誘導加熱源43に電流が流れて容器20の周壁部22に渦電流が発生して発熱する。このとき、電源回路56~58から出力される電力における電圧の位相差が0になっているので、誘導加熱源41~43間の磁場干渉が抑制されて加熱効率が高まる。さらに、周壁構成部材22A~22G及び誘導加熱源41~43が共に円環状であることから、各周壁構成部材22A~22Gに発生した渦電流を当該周壁構成部材22A~22Gに閉じ込めることが可能になり、渦電流が周方向に均一化する。これにより、容器20内の温度分布が均一化する。 As a result, current flows through the upper induction heating source 41, the intermediate induction heating source 42, and the lower induction heating source 43, generating eddy currents in the peripheral wall 22 of the container 20 and generating heat. At this time, the phase difference between the voltages in the power output from the power supply circuits 56-58 is zero, suppressing magnetic field interference between the induction heating sources 41-43 and improving heating efficiency. Furthermore, because the peripheral wall components 22A-22G and the induction heating sources 41-43 are all annular, the eddy currents generated in each peripheral wall component 22A-22G can be contained within that component, making the eddy currents uniform in the circumferential direction. This results in a uniform temperature distribution within the container 20.
周壁部22に発生した熱は、内部に収容されている原料ポッド24に伝わり、当該原料ポッド24が加熱される。原料ポッド24が加熱されることで、原料ポッド24内の原料Bが加熱される。 The heat generated in the peripheral wall portion 22 is transferred to the raw material pod 24 contained therein, heating the raw material pod 24. As the raw material pod 24 is heated, raw material B inside the raw material pod 24 is heated.
また、誘導加熱源41~43への電力供給と同時に、電力制御モジュール55から抵抗加熱源44にも電力が供給される。抵抗加熱源44が発熱すると、抵抗加熱源44から放射された熱がカバー部材23を介して複数の原料ポッド24に伝わり、原料ポッド24内の原料Bが加熱される。 In addition, simultaneously with the supply of power to the induction heating sources 41-43, power is also supplied from the power control module 55 to the resistance heating source 44. When the resistance heating source 44 generates heat, the heat radiated from the resistance heating source 44 is transferred to the multiple raw material pods 24 via the cover member 23, heating the raw material B inside the raw material pod 24.
ステップS8では、ステップS1と同様に現在温度の計測処理を実行してPID制御部53が計測結果を取得する。ステップS9では、PID制御部53が、ステップS2で読み込んだ目標温度と、ステップS8で計測した測定温度とを比較する比較処理を実行する。ステップS9の比較処理の結果、目標温度と測定温度とに偏差があれば、ステップS6に進み、現在の出力指示値の電力を継続して出力するように、PID制御部53が、上側、中間、下側電源回路56~58及び電力制御モジュール55を制御する。 In step S8, the current temperature is measured in the same manner as in step S1, and the PID control unit 53 acquires the measurement result. In step S9, the PID control unit 53 performs a comparison process to compare the target temperature read in step S2 with the measured temperature measured in step S8. If the comparison process in step S9 shows a deviation between the target temperature and the measured temperature, the process proceeds to step S6, where the PID control unit 53 controls the upper, middle, and lower power supply circuits 56-58 and the power control module 55 to continue outputting power at the current output command value.
一方、ステップS9の比較処理の結果、目標温度と測定温度とに偏差がなければ、ステップS5に進み、PID制御部53がPID制御を実行して、上側、中間、下側電源回路56~58及び電力制御モジュール55を制御する。 On the other hand, if the comparison process in step S9 shows that there is no deviation between the target temperature and the measured temperature, the process proceeds to step S5, where the PID control unit 53 executes PID control to control the upper, middle, and lower power supply circuits 56-58 and the power control module 55.
目標温度に達する前に、制御装置50は回転機構45の電動モータ45aを作動させる。これにより、原料Bが昇華し始める前に種結晶Aを回転させることができる。抵抗加熱源44が種結晶Aの真下に位置しているので、抵抗加熱源44から放射された熱がカバー部材23の上板部23bを介して種結晶Aにも伝わる。これにより、種結晶Aの温度が単結晶の成長を促進する温度域に保たれる。 Before the target temperature is reached, the control device 50 activates the electric motor 45a of the rotation mechanism 45. This allows the seed crystal A to rotate before the raw material B begins to sublimate. Because the resistance heating source 44 is located directly below the seed crystal A, the heat radiated from the resistance heating source 44 is also transmitted to the seed crystal A via the upper plate portion 23b of the cover member 23. This maintains the temperature of the seed crystal A in a temperature range that promotes single crystal growth.
原料Bが複数の原料ポッド24に分けて収容されているので、各原料ポッド24の内壁面で原料Bを加熱できる。これにより、原料Bを加熱する面積が拡大する。原料ポッド24内の原料Bの温度が昇華温度に達すると、原料Bが昇華することによって原料ポッド24内で昇華ガスが生成される。原料ポッド24内で生成された昇華ガスは、原料ポッド24の上側部分に設けられている排気口24cから上方へ排気される。原料ポッド24から排気された昇華ガスは、真上に位置している種結晶Aに向けて流れる。このとき、容器20の上部における種結晶Aの周りにガス排出口25が位置しているので、昇華ガスの流れはガス排出口25へ向かう流れとなり、種結晶Aに当たりやすくなる。これにより、炭化ケイ素の単結晶が成長していく。炭化ケイ素の単結晶は、例えば柱状になる。 Because raw material B is housed in multiple raw material pods 24, raw material B can be heated on the inner wall surface of each raw material pod 24. This increases the area over which raw material B is heated. When the temperature of raw material B in a raw material pod 24 reaches the sublimation temperature, raw material B sublimes, generating sublimation gas within the raw material pod 24. The sublimation gas generated within the raw material pod 24 is exhausted upward through exhaust ports 24c located in the upper portion of the raw material pod 24. The sublimation gas exhausted from the raw material pod 24 flows toward the seed crystal A located directly above. At this time, because gas exhaust ports 25 are located around the seed crystal A at the top of the container 20, the flow of sublimation gas is directed toward the gas exhaust port 25, making it more likely to hit the seed crystal A. This allows silicon carbide single crystals to grow. The silicon carbide single crystals may take on a columnar shape, for example.
このことを図8A及び図8Bに基づいて説明する。図8Aは、ガス排出口が無い場合の種結晶A近傍の熱流体の流れをシミュレーションした結果を模式的に示す図である。この場合、種結晶A近傍では、大きな温度差に起因する流体圧縮が起きて、乱流が発生する。乱流が発生することで、単結晶の安定した成長が阻害される。 This will be explained based on Figures 8A and 8B. Figure 8A is a diagram that shows the results of a simulation of the flow of thermal fluid near seed crystal A when there is no gas outlet. In this case, fluid compression occurs near seed crystal A due to a large temperature difference, generating turbulence. The generation of turbulence hinders the stable growth of a single crystal.
一方、図8Bは、ガス排出口25がある場合の種結晶A近傍の熱流体の流れをシミュレーションした結果を模式的に示す図である。この場合、種結晶Aの側方にガス排出口25が位置することになるので、種結晶Aの下方から上方へ流れた熱流体(昇華ガス)は層流状態を維持したまま、種結晶Aを表面に沿うように流れてガス排出口25に達する。これにより、単結晶が安定して成長する。さらに、このときに種結晶Aが回転しているので、種結晶A近傍の温度差が小さくなり、このことによっても、層流状態が維持されやすくなる。 On the other hand, Figure 8B is a diagram showing the results of a simulation of the flow of thermal fluid near seed crystal A when a gas outlet 25 is present. In this case, since gas outlet 25 is located to the side of seed crystal A, the thermal fluid (sublimation gas) flowing from below to above seed crystal A flows along the surface of seed crystal A while maintaining a laminar flow state until it reaches gas outlet 25. This allows for stable growth of a single crystal. Furthermore, because seed crystal A is rotating at this time, the temperature difference near seed crystal A is reduced, which also makes it easier to maintain a laminar flow state.
(変形例)
上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する各種変形や様々な変更は、全て本発明の範囲内のものである。容器20の大きさや形状は、任意に設定することができ、6インチ未満の小口径の単結晶を製造する場合にも本発明を適用できる。誘導加熱源による加熱範囲は、図示した範囲に限られるものではなく、例えば容器20の底壁部21を誘導加熱源で加熱してもよい。抵抗加熱源による加熱範囲は、図示した範囲に限られるものではなく、例えば容器20の周壁部22を抵抗加熱源で加熱してもよい。
(Modification)
The above-described embodiment is merely illustrative in all respects and should not be construed as limiting. Furthermore, various modifications and variations within the scope of equivalents of the claims are all within the scope of the present invention. The size and shape of the vessel 20 can be set as desired, and the present invention can also be applied to the production of small-diameter single crystals of less than 6 inches. The heating range of the induction heating source is not limited to the illustrated range; for example, the bottom wall 21 of the vessel 20 may be heated by the induction heating source. The heating range of the resistance heating source is not limited to the illustrated range; for example, the peripheral wall 22 of the vessel 20 may be heated by the resistance heating source.
例えば、図9に示す実施形態の変形例1のように、カバー部材23を複数設けてもよい。カバー部材23は、容器20の軸線200を囲むように周方向に互いに間隔をあけて設けられている。各カバー部材23の内部には、抵抗加熱源44が収容されている。これにより、容器20内の温度分布がより一層均一化する。つまり、抵抗加熱源44は1つに限定されるものではなく、1つの容器20に対して複数設けることができる。抵抗加熱源44を複数設ける場合、容器20の軸線200を対称の中心として点対称に設けることができる。 For example, as in Variation 1 of the embodiment shown in Figure 9, multiple cover members 23 may be provided. The cover members 23 are provided at intervals in the circumferential direction so as to surround the axis 200 of the container 20. A resistance heating source 44 is housed inside each cover member 23. This makes the temperature distribution inside the container 20 even more uniform. In other words, the number of resistance heating sources 44 is not limited to one, and multiple resistance heating sources 44 can be provided for one container 20. When multiple resistance heating sources 44 are provided, they can be arranged in point symmetry with the axis 200 of the container 20 as the center of symmetry.
また、図10に示す実施形態の変形例2のように、カバー部材23を容器20の軸線200から径方向に偏位させてもよい。カバー部材23の内部には、抵抗加熱源44が収容されているので、抵抗加熱源44も容器20の軸線200から径方向に偏位することになる。 Also, as in the second variation of the embodiment shown in Figure 10, the cover member 23 may be radially offset from the axis 200 of the container 20. Since the resistance heating source 44 is housed inside the cover member 23, the resistance heating source 44 will also be radially offset from the axis 200 of the container 20.
また、抵抗加熱源44は省略してもよい。種結晶Aは、容器20の上下方向中間部に配置してもよい。 The resistance heating source 44 may also be omitted. The seed crystal A may be placed in the middle of the container 20 in the vertical direction.
(実施形態の作用効果)
以上説明したように、本実施形態によれば、同時に通電される複数の誘導加熱源41~43を備えていることで熱容量が増加するので、6インチ径や8インチ径のような単結晶を成長させることが可能な大型化した容器20であっても、内部の原料Bを2000℃以上まで加熱して昇華させることができる。加えて、複数の誘導加熱源41~43が互いに間隔をあけて配置されているので、複数の誘導加熱源41~43によって容器20の複数箇所が同時に加熱され、さらに容器20の内部に対応するように配置された抵抗加熱源44によって容器20が内側からも同時に加熱される。これにより、容器20内の温度分布を均一に近づけることが可能になる。
(Effects of the embodiment)
As described above, according to this embodiment, the provision of multiple induction heating sources 41-43 that are energized simultaneously increases the heat capacity, so that even in a large vessel 20 capable of growing a single crystal, such as one with a 6-inch or 8-inch diameter, the raw material B inside can be heated to 2000°C or higher and sublimated. In addition, since the multiple induction heating sources 41-43 are arranged at intervals from one another, multiple locations on the vessel 20 are heated simultaneously by the multiple induction heating sources 41-43, and the vessel 20 is also heated simultaneously from the inside by the resistance heating source 44 arranged corresponding to the interior of the vessel 20. This makes it possible to achieve a more uniform temperature distribution within the vessel 20.
また、容器20の周壁部22の外側を囲むように誘導加熱源41~43が配置されているので、誘導加熱源41~43に通電すると、周壁部22を構成している各周壁構成部材22A~22Gに渦電流が発生し、各周壁構成部材22A~22Gが発熱して原料Bが加熱される。このとき、周壁構成部材22A~22G及び誘導加熱源41~43が共に円環状であることから、各周壁構成部材22A~22Gに発生した渦電流を当該周壁構成部材22A~22Gに閉じ込めることが可能になり、渦電流が周方向に均一化する。これにより、容器20内の温度分布も均一化する。 Furthermore, induction heating sources 41-43 are arranged to surround the outside of the peripheral wall 22 of the container 20. When current is applied to the induction heating sources 41-43, eddy currents are generated in each of the peripheral wall components 22A-22G that make up the peripheral wall 22, causing each of the peripheral wall components 22A-22G to generate heat and heat the raw material B. Because the peripheral wall components 22A-22G and the induction heating sources 41-43 are both annular, the eddy currents generated in each of the peripheral wall components 22A-22G can be contained within the peripheral wall components 22A-22G, making the eddy currents uniform in the circumferential direction. This also uniforms the temperature distribution within the container 20.
また、種結晶Aが支持部材30によって下向きに支持されているので、単結晶の成長方向と重力の方向とが一致し、重力が単結晶の成長を阻害することはない。また、支持部材30が回転機構45によって回転することで、種結晶Aを回転させることができる。これにより、種結晶A近傍の熱流体の乱流が抑制されるので、熱流体が層流化し、単結晶に欠陥が含まれ難くなる。 In addition, because seed crystal A is supported facing downward by support member 30, the growth direction of the single crystal coincides with the direction of gravity, and gravity does not hinder the growth of the single crystal. Furthermore, seed crystal A can be rotated by rotating support member 30 using rotation mechanism 45. This suppresses turbulence in the thermal fluid near seed crystal A, resulting in laminar flow of the thermal fluid and making it less likely for defects to be present in the single crystal.
また、原料Bが複数の原料ポッド24に分けて収容されて各原料ポッド24の内壁面で加熱されることになるので、径の大きな容器20にそのまま原料Bを収容する場合に比べて、原料Bを加熱する面積が拡大する。これにより、原料Bが効率良く昇華するとともに昇華状態が安定し、さらに多くの原料Bを昇華温度まで加熱できるので、原料Bの使用率が高まる。 In addition, because raw material B is divided into multiple raw material pods 24 and stored and heated on the inner wall surface of each raw material pod 24, the area over which raw material B is heated is larger than when raw material B is stored directly in a large-diameter container 20. This allows raw material B to sublimate efficiently and the sublimation state to stabilize, allowing more raw material B to be heated to the sublimation temperature, thereby increasing the utilization rate of raw material B.
以上説明したように、本開示は、例えば炭化ケイ素等の原料を昇華させて種結晶上に単結晶成長させる場合に利用できる。 As explained above, the present disclosure can be used, for example, when sublimating a raw material such as silicon carbide to grow a single crystal on a seed crystal.
1 昇華成長装置
20 容器
24 原料ポッド
24c 排気口
25 ガス排出口
30 支持部材
41 上側誘導加熱源
42 中間誘導加熱源
43 下側誘導加熱源
44 抵抗加熱源
45 回転機構
46、47 温度センサ
50 制御装置
A 種結晶
B 原料
REFERENCE SIGNS LIST 1 sublimation growth apparatus 20 container 24 raw material pod 24c exhaust port 25 gas exhaust port 30 support member 41 upper induction heating source 42 middle induction heating source 43 lower induction heating source 44 resistance heating source 45 rotation mechanism 46, 47 temperature sensor 50 control device A seed crystal B raw material
Claims (4)
前記原料が収容された複数の原料ポッドが互いに間隔をあけた状態で載置され、平面視で円形をなす底板材で構成された底壁部と、
前記底板材の上に配設され、円環状の誘導加熱源内に配置される周壁部とを備え、
前記周壁部は、平面視で円環状をなすとともに導電性材料からなる複数の周壁構成部材が上下方向に接続されて構成され、
厚みまたは上下方向の寸法が互いに異なる複数の前記周壁構成部材が接続されていることを特徴とする昇華成長装置用原料容器。 A source container for a sublimation growth apparatus used in a sublimation growth apparatus that sublimates a source material to grow a single crystal on a seed crystal,
a bottom wall portion on which a plurality of raw material pods containing the raw materials are placed at intervals from one another and which is made of a bottom plate material having a circular shape in a plan view;
a peripheral wall portion disposed on the bottom plate material and disposed within a circular induction heating source;
the peripheral wall portion is configured by a plurality of peripheral wall constituent members that are annular in plan view and made of a conductive material and are connected in the vertical direction,
A source container for a sublimation growth apparatus, characterized in that a plurality of peripheral wall constituent members having thicknesses or vertical dimensions different from one another are connected to one another.
複数の前記周壁構成部材は、第1の周壁構成部材と、当該第1の周壁構成部材の上に接続される第2の周壁構成部材とを含んでおり、
前記第1の周壁構成部材の上部には、上方へ突出して周方向に延びる突出部が形成され、
前記第2の周壁構成部材の下部には、前記突出部が収容される凹部が形成されていることを特徴とする昇華成長装置用原料容器。 2. The source container for a sublimation growth apparatus according to claim 1,
the plurality of peripheral wall constituent members include a first peripheral wall constituent member and a second peripheral wall constituent member connected to an upper portion of the first peripheral wall constituent member;
a protrusion that protrudes upward and extends in the circumferential direction is formed on an upper portion of the first peripheral wall component,
a recess formed in a lower portion of the second peripheral wall component for accommodating the protrusion;
前記導電性材料の比抵抗値が10-5Ωcm以上10-2Ωcm以下であることを特徴とする昇華成長装置用原料容器。 2. The source container for a sublimation growth apparatus according to claim 1,
A source container for a sublimation growth apparatus, wherein the conductive material has a resistivity of 10 −5 Ωcm or more and 10 −2 Ωcm or less.
炭化ケイ素粉末が前記原料として前記原料ポッドに収容されることを特徴とする昇華成長装置用原料容器。 2. The source container for a sublimation growth apparatus according to claim 1,
A source container for a sublimation growth apparatus, wherein silicon carbide powder is contained as the source material in the source pod.
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