(57)【要約】【課題】  種子付け過程と肩拡げ成長過程とにおいて、良好な結晶品質の成長結晶を得る。【解決手段】  炉５内に設置されたるつぼ１内の原料溶液８に、種子結晶７を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長装置において、種子結晶７が先端に取り付けられた引き上げ軸１１の内部にガスを還流させて、種子結晶７を通じて、結晶成長で発生する生成熱を脱熱するように構成されている。種子結晶７と原料溶液８との接触部分の局所的冷却により、種子付け後の引き上げ開始時に、高い過飽和状態を局所的に実現することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長装置において、
前記種子結晶が先端に取り付けられ、内部にガスを還流させて、前記種子結晶を通じて、結晶成長で発生する生成熱を脱熱する引き上げ軸と、
育成された結晶の状態を検出し、検出された状態に応じて前記ガスの流量を調整する調整手段と
を備えたことを特徴とする結晶成長装置。
【請求項２】
前記育成された結晶の結晶径を検出する形状センサを備え、
前記調整手段は、検出された結晶径に応じて前記ガスの流量を調整することを特徴とする請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項３】
前記育成された結晶の重量を検出する重量センサを備え、
前記調整手段は、検出された重量に応じて前記ガスの流量を調整することを特徴とする請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項４】
炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長方法において、
前記種子結晶を前記原料溶液に接触させ、前記種子結晶が溶解せずかつ結晶成長も生じない状態を実現し、前記種子結晶が先端に取り付けられた引き上げ軸の内部を還流するガス流量を調整して、前記引き上げ軸を引き上げる種子付け過程と、
一定速度の冷却に対して、前記ガス流量を調整し、成長する結晶の直径制御を行う肩拡げ成長過程と
を備えることを特徴とする結晶成長方法。
【請求項５】
前記引き上げ軸に導入する前記ガス流量を一定にし、結晶の成長が早い場合には昇温、結晶の成長が遅い場合には冷却の微調整を、一定速度の冷却に対して付加的に行う定径部工程をさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の結晶成長方法。
【請求項６】
前記引き上げ軸に導入する前記ガス流量を一定にし、結晶の成長が早い場合には高速、結晶の成長が遅い場合には低速の微調整を、一定速度の冷却に対して付加的に行う定径部工程をさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の結晶成長方法。
【請求項７】
前記結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４、５または６に記載の結晶成長方法。
【請求項８】
前記結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含み、添加不純物として周期率表Ｉａ、ＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする請求項４、５または６に記載の結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶成長装置およびその方法に関し、より詳細には、ＴＳＳＧ法による結晶成長における種子付け過程と肩拡げ成長過程とにおいて、良好な結晶品質の成長結晶を得るための結晶成長装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、酸化物バルク単結晶の結晶成長方法として、浮遊帯域溶融（ＦＺ：Floating Zone）法、ブリッジマン法、炉温降下法などが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、溶融した溶液に種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する、溶液引き上げ（ＴＳＳＧ：Top-Seeded Solution-Growth）法が知られている。ＴＳＳＧ法は、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＬｉＮｂＯ３単結晶の結晶成長法として知られているチョクラルスキー法（ＣＺ法）と同様に、結晶の形状制御が可能であり、大型ウェハを作製するための結晶母材を得ることができる。
【０００３】
図１に、従来のＴＳＳＧ法による結晶製造装置を示す。結晶製造装置は、ヒータ４によって温度制御可能な縦型管状炉５を有し、縦型管状炉５内のるつぼ台２に原料溶液８を入れたるつぼ１を設置している。縦型管状炉５は、炉体ふた１０により密閉され、内面に設置された均熱管３により、炉内の温度が一定に保たれるようになっている。このような構成において、引き上げ軸６の先端に取り付けられた種子結晶７を、溶融した原料溶液８に浸して、引き上げながら成長結晶９を育成する。この結晶製造装置を用いてＫＴａｘＮｂ1−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）結晶を製造する方法を説明する。
【０００４】
ＫＴａｘＮｂ1−ｘＯ３結晶を単結晶として成長させるには、縦型管状炉５内、すなわち、るつぼ１と原料溶液８と成長結晶９とが位置する付近において、均一な温度分布が必要である。そこで上述したように、温度の均一性の高い抵抗加熱式の縦型管状炉５を構成している。また、引き上げ軸６には、アルミナや白金で形成された引き上げ軸を用いるのが、一般的である。
【０００５】
ＫＴａｘＮｂ1−ｘＯ３原料は、素原料であるＫ２ＣＯ３とＴａ２Ｏ５とＮｂ２Ｏ５とを所望の組成比となるよう秤量し、るつぼ１に充填する。ＫＴａｘＮｂ1−ｘＯ３原料が投入されたるつぼ１を、縦型管状炉５内に設置されたるつぼ台２上に設置する。ヒータ４を加熱することで、ＫＴａｘＮｂ1−ｘＯ３原料を昇温溶解し、原料溶液８を準備する。種子結晶７が先端に取り付けられた引き上げ軸６を縦型管状炉５に導入し、原料溶液８に接触させ、結晶育成を開始する。
【０００６】
種子結晶７を原料溶液８に接触させる際、すなわち種子付け過程では、原料溶液８の温度を調整し、種子結晶７が溶解せずかつ結晶成長も生じない状態を実現する必要がある。その後、引き上げ軸６を回転しながら引き上げると同時に、原料溶液８を、加熱量の調整により一定冷却速度で冷却して行く。この一定速度の冷却により、原料溶液８は、過飽和状態となる。加えて、引き上げ軸６は、低温の炉外から導入されているため、脱熱の伝熱経路となる。結晶成長に十分な過飽和状態が原料溶液８に実現すると、種子結晶７の先端に結晶が析出し始め、結晶成長が始まる。そして、種子付け、肩拡げ、定径部と順に成長過程が進行する。育成中は、その状態を形状センサもしくは質量センサを用いて検出し、上述の一定速度の冷却に対して、成長が早い場合には微調整の昇温、成長が遅い場合には微調整の冷却を加えて、成長結晶９の直径制御を行う。
【０００７】
【特許文献１】特開昭５９−１０７９９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＴＳＳＧ法による結晶製造装置においては、原料溶液８から成長結晶９が成長する際に発生する生成熱を、引き上げ軸６を通じて脱熱する必要がある。しかしながら、炉内温度が均一になるように制御しているので、引き上げ軸も加熱されている。従って、原料溶液８を徐冷し、結晶を成長させる際に、引き上げ軸６を通じた脱熱が十分に行われていない。このために、原料溶液８を過度に冷却し、高い過飽和度を実現しなければ結晶成長が開始しなかった。
【０００９】
しかし、原料溶液８を過度に冷却すると、結晶成長が急に始まる、いわゆる「急成長現象」がしばしば発生する。この急成長現象は、成長結晶の結晶品質を劣化させる一要素であり、結晶品質に優れた成長結晶を作製することが難しいという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、種子付け過程と肩拡げ成長過程とにおいて、良好な結晶品質の成長結晶を得るための結晶成長装置およびその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、炉５内に設置されたるつぼ１内の原料溶液８に、種子結晶７を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長装置において、前記種子結晶７が先端に取り付けられた引き上げ軸１１の内部にガスを還流させて、前記種子結晶７を通じて、結晶成長で発生する生成熱を脱熱するように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の結晶成長装置において、前記育成された結晶の結晶径を検出する形状センサを備え、前記調整手段は、検出された結晶径に応じて前記ガスの流量を調整することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の結晶成長装置において、前記育成された結晶の重量を検出する重量センサを備え、前記調整手段は、検出された重量に応じて前記ガスの流量を調整することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、炉内に設置されたるつぼ内の原料溶液に、種子結晶を浸して引き上げながら結晶を育成する結晶成長方法において、前記種子結晶を前記原料溶液に接触させ、前記種子結晶が溶解せずかつ結晶成長も生じない状態を実現し、前記種子結晶が先端に取り付けられた引き上げ軸の内部を還流するガス流量を調整して、前記引き上げ軸を引き上げる種子付け過程と、一定速度の冷却に対して、前記ガス流量を調整し、成長する結晶の直径制御を行う肩拡げ成長過程とを備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の結晶成長方法において、前記引き上げ軸に導入する前記ガス流量を一定にし、結晶の成長が早い場合には昇温、結晶の成長が遅い場合には冷却の微調整を、一定速度の冷却に対して付加的に行う定径部工程をさらに備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の結晶成長方法において、前記引き上げ軸に導入する前記ガス流量を一定にし、結晶の成長が早い場合には高速、結晶の成長が遅い場合には低速の微調整を、一定速度の冷却に対して付加的に行う定径部工程をさらに備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項４、５または６に記載の前記結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含むことを特徴とする。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項４、５または６に記載の前記結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含み、添加不純物として周期率表Ｉａ、ＩＩａ族の１または複数種を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、種子付け過程と肩拡げ成長過程とにおいて、引き上げ軸の内部に冷却ガスを還流させることにより、良好な結晶成長開始条件が得られ、良好な結晶品質の成長結晶を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の実施形態においては、引き上げ軸内に冷却ガスを還流させることにより、結晶成長の際に発生する生成熱を、引き上げ軸を通じて脱熱する。
【００２１】
本実施形態によれば、第一に、引き上げ軸が冷却され、引き上げ軸先端に設置した種子結晶が間接冷却され、結晶成長で発生した生成熱を有効に脱熱できる。従って、原料溶液を過度に冷却し、高い過飽和度を実現する必要がない。
【００２２】
第二に、引き上げ軸を局所的に冷却することで、引き上げ軸と熱接触している種子結晶を通じて、原料溶液の種子結晶接触部分を局所的に冷却できる。従って、種子結晶が原料溶液に接触しているとき、原料溶液と種子結晶の接触点付近が熱の吸収点となり、その付近のみ温度勾配が急峻になる。原料溶液と種子結晶の接触点における局所的冷却は、種子付け後の引き上げ開始時における結晶成長に必要な過飽和状態を実現することができる。
【００２３】
以上の二点は、ＴＳＳＧ法によってＫＴａｘＮｂ1-ｘＯ３結晶を成長させる場合、炉内温度分布を均一に保つことができ、かつ引き上げ軸を通した脱熱を十分に行うことができるので、高品質の結晶を製造することができる。
【００２４】
第三に、引き上げ軸に還流させる冷却ガスの流量を調整することにより、脱熱量を逐次調整することができる。従って、加熱量の調整により成長結晶の成長速度を調整する従来の制御方法に代えて、形状センサを用いて結晶の結晶径を検出し、または重量センサを用いて結晶の重量を検出し、冷却ガスの流量調整または引き上げ速度の調整により、成長結晶の成長速度を調整することができる。具体的には、形状センサを用いて成長状態を検出し、成長が早い場合にはガス流量を減じ、また成長が遅い場合にはガス流量を増して、脱熱量の微調整を行うことにより、結晶成長中の結晶径の増加量を制御する。また、引き上げ軸に還流させる冷却ガスを一定にし、成長が早い場合には引き上げ速度を速くし、結晶の成長が遅い場合には引き上げ速度を遅くして、結晶成長中の結晶径の増加量を制御することもできる。
【００２５】
また、従来の加熱量の調整は、熱容量の大きい抵抗加熱炉全体の温度を調整するため、成長に寄与する成長界面付近の温度を調整するのには応答速度が遅い。一方、冷却ガス流量の調整は、局所的に種子結晶、成長結晶を冷却するから、結晶成長界面付近の温度を調整する応答速度は速い。冷却ガス流量の調整は、結晶の成長過程の中で、種子付けおよび肩拡げ成長過程に有効な手段である。
【００２６】
ただし、引き上げ軸の冷却効果は、種子結晶の近傍に限定され、種子付け、肩拡げ成長過程の後の定径部結晶成長過程においては、成長結晶の冷却に支配的に費やされる。従って、結晶成長部に対する温度制御の効果はなくなるので、冷却ガスの流量を一定にして、加熱量の調整により成長結晶の成長速度を調整する従来の制御方法に影響を与えないようにする。
【００２７】
冷却ガスとしては、空気あるいは窒素、アルゴンが容易に入手できるので好適である。しかし、ガスを還流させることにより脱熱が生じるガスであれば他のガスでも良い。望ましくは、比熱が大きく、同じ流量でも吸熱性能の高いガスを用いることが望ましい。冷却ガスは、室温あるいは温度制御された状態で引き上げ軸に還流させる。
【００２８】
以下に本発明の具体的実施例を説明する。本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行いうることは言うまでもない。
【００２９】
図２に、本発明の一実施形態にかかるＴＳＳＧ法による結晶製造装置の構成を示す。結晶製造装置は、図１に示した従来の結晶製造装置と同じ構成要素には、同じ参照符号を付して表す。従来の結晶製造装置との相違は、引き上げ軸内に冷却ガスを還流させる機能を有するガス還流式引き上げ軸１１を用いている点である。
【００３０】
ＫＴａｘＮｂ1−ｘＯ３原料は、素原料であるＫ２ＣＯ３とＴａ２Ｏ５とＮｂ２Ｏ５とを所望の組成比となるよう秤量し、るつぼ１に充填する。ＫＴａｘＮｂ1−ｘＯ３原料が投入されたるつぼ１を、縦型管状炉５内に設置されたるつぼ台２上に設置する。ヒータ４を加熱することで、ＫＴａｘＮｂ1−ｘＯ３原料を昇温溶解し、原料溶液８を準備する。ソーキングと呼ばれる高温処理を原料溶液８に対して行い、原料溶液８内の炭酸基の蒸発、溶液内分子クラスターの分解を促進させる。種子結晶７が先端に取り付けられたガス還流式引き上げ軸１１を縦型管状炉５に導入し、原料溶液８に接触させ、結晶育成を開始する。
【００３１】
種子結晶７を原料溶液８に接触させる際、すなわち種子付け過程では、原料溶液８の温度を調整し、種子結晶７が溶解せずかつ結晶成長も生じない状態を実現する必要がある。その後、ガス還流式引き上げ軸１１を回転しながら、引き上げると同時に、一定冷却速度で冷却するのに加えて、ガス還流式引き上げ軸１１に室温の空気を導入する。ガス還流式引き上げ軸１１に導入する室温空気の導入量を徐々にあげていくことで、種子結晶７の冷却量が増加し、種子結晶７の先端に結晶が析出し始め、肩拡げ成長過程が開始する。種子付け過程では、ガス還流式引き上げ軸１１に導入する室温空気の導入量を一定とし、ヒータ４の加熱量を減じることにより冷却し、種子結晶７の先端に結晶を析出してもよい。
【００３２】
肩拡げ成長過程の間は、結晶成長の状態を形状センサまたは重量センサを用いて検出する。成長が早い場合にはガス流量を減じ、成長が遅い場合にはガス流量を増して、一定速度の冷却に対して微調整を行う。このような冷却ガスの微調整を、不図示の調整手段により付加的に行うことにより、成長結晶９の直径制御を行う。肩拡げ成長過程中は、その状態を形状センサまたは重量センサを用いて検出し、引き上げ速度を調整してもよい。具体的には、結晶成長が早い場合には引き上げ速度を増加し、結晶成長が遅い場合には引き上げ速度を減少させ、径増加量を一定に保つ。
【００３３】
結晶成長の進行によって、成長結晶が定形部に達した後は、ガス還流式引き上げ軸１１に導入するガス流量を一定にする。結晶成長の状態を形状センサまたは重量センサを用いて検出し、成長が早い場合には昇温、成長が遅い場合には冷却の微調整を一定速度の冷却に対して付加的に行い、成長結晶９の直径制御を行う。
【００３４】
本実施形態によれば、過度の冷却による急成長現象は生じない。結晶成長後、ヒータ４の加熱量を下げ、縦型管状炉５を室温まで冷却する。成長した結晶は、一定速度で肩拡げを行ったため、スムーズな拡がり成長形状を呈し、定形部も形状変動がない。目視による観察で、色調均一性でかつ欠陥の介在も認められないＫＴａｘＮｂ1−ｘＯ３単結晶を得ることができる。
【００３５】
本実施形態において、結晶の主成分は、周期率表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含むことができる。さらに、添加不純物として周期率表Ｉａ族、例えばリチウム、またはＩＩａ族の１または複数種を含むこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来のＴＳＳＧ法による結晶製造装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるＴＳＳＧ法による結晶製造装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  るつぼ
２  るつぼ台
３  均熱管
４  ヒータ
５  縦型管状炉
６  引き上げ軸
７  種子結晶
８  原料溶液
９  成長結晶
１０  炉体ふた
１１  ガス還流式引き上げ軸
【図１】
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【図２】
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