(57)【要約】【課題】本発明は、上記事情に鑑み、補助ヒータを設置した単結晶育成装置において、補助ヒータの酸化を防止し高価な貴金属以外の材料を補助ヒータとして使用可能にする結晶育成装置を提供することを目的とする。【解決手段】原料融液を貯留保持可能な金属製のルツボと、  前記ルツボの周囲に設けられる誘導コイルと、  前記ルツボの下方または周辺に設けられる補助ヒータと、  前記補助ヒータを密閉可能なシール構造を備えるヒータ密閉容器と、を有する。【選択図】図４
2019167282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料融液を貯留保持可能な金属製のルツボと、
前記ルツボの周囲に設けられる誘導コイルと、
前記ルツボの下方または周辺に設けられる補助ヒータと、
前記補助ヒータを密閉可能なシール構造を備えるヒータ密閉容器と、を有する結晶育成装置。
【請求項２】
前記補助ヒータは、タングステン、モリブデン、タンタル又はグラファイトで構成されている請求項１に記載した結晶育成装置。
【請求項３】
前記シール構造は、高温で融解するシール材を保持可能な隙間構造を有し、
前記シール材が融解していないときには前記隙間構造が密閉されず、前記シール材が融解したときに前記隙間構造が密閉される請求項１又は２に記載の結晶育成装置。
【請求項４】
前記シール構造は、断熱材からなる蓋と、
前記蓋の下端部を包含する大きさを有する受け皿と、を有し、
前記受け皿上に前記蓋の下端部を覆い、前記受け皿と前記蓋の下端部との隙間を塞ぐように前記シール材が保持されている請求項３に記載の結晶育成装置。
【請求項５】
前記ヒータ密閉容器は、平面視において前記蓋に包含される大きさを有し、前記シール材を保持するとともに前記蓋の天井面を支持する支持台を有する請求項４に記載の結晶育成装置。
【請求項６】
前記支持台は、前記蓋の天井面を支持する凸部と、該凸部よりも低い高さを有し、前記シール材を載置可能な肩と、を有する請求項５に記載の結晶育成装置。
【請求項７】
前記シール材が酸化ホウ素である請求項３乃至６のいずれか一項に記載の結晶育成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶育成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化物単結晶の製造方法としては、チョクラルスキー法による結晶育成方法が広く実施されている。
【０００３】
このチョクラルスキー法による酸化物単結晶育成は、例えば、図１に示すような結晶育成装置を用いてルツボ１０の外側に誘導コイル８０を配置し、誘導コイル８０に高周波電流を流すことによってルツボ１０に渦電流が生じ、これによってルツボ１０が発熱してルツボ１０内の原料が溶融し、上方向から種となる種結晶１５０を融液１６０に触れさせて、回転しながら引き上げる方法が主になっている。
【０００４】
また、引き上げが進むにつれて単結晶の上部は、シード棒（引き上げ軸）７０からの伝熱や結晶表面からの熱輻射により冷却される。成長中の単結晶内の温度分布が大きくなるため、ルツボ上部を保温する工夫がなされている。例えば、結晶内の温度差に伴う熱応力によるクラックを抑制するため、ルツボ１０の上部に、ルツボ以外の発熱体である円筒状のアフター・ヒータ４０を配置している。また、ルツボ上部を保温するためドーナツ状のリフレクタ３０を配置することもある。
【０００５】
ところで、近年、酸化物単結晶、特にタンタル酸リチウムは表面弾性波デバイス材料として市場が拡大しており、生産量の確保のため単結晶の引き上げ長さ（結晶長）が次第に長くなっている。この長尺化に伴い、結晶の曲りや直胴部で発生する多結晶化、あるいは、冷却中の熱歪に起因したクラック、ルツボ底の原料固化などが発生し易くなっており、結晶の良品率を低下させる原因となっている。特に、ルツボ中の原料固化は、潜熱の放出により融液１６０中の温度分布を変化させる、固化した領域により融液１６０の流れが変化する等の現象に起因して、結晶の界面形状が変化して多結晶化やリネージと呼ばれる欠陥集合体が発生する場合があり、これらは長尺化に大きな問題となる。
【０００６】
チョクラルスキー法による単結晶育成では、ルツボの原料融解面に種結晶１５０を接触させて回転させ、徐々に引き上げながら結晶を成長させている。結晶を成長させるためには融液界面温度は融点に保ちつつ結晶成長に伴って発生する潜熱を結晶上部に放熱させる。そのため結晶が成長するに伴って、加熱源である高周波誘導コイル８０を適切な範囲で低下させなければならない。
【０００７】
これらの加熱法は炉内設置した誘導コイル８０に高周波電流を流し、それによって高周波磁場を発生させる。高周波磁場により金属製のルツボや金属製の円筒状のアフター・ヒータに電流が誘導され、この誘導電流によって金属にジュール熱が発生する。
【０００８】
誘導コイル８０と導電材料の位置、導電材料の形状により、磁場分布が変化するとそれに伴って誘導電流量、発熱量が変化する。これらの位置が固定されると一定の発熱分布が決まるので、高周波電力の増減は発熱分布の強度を変えることで対応する。
【０００９】
図２は、図１に示した結晶育成装置のルツボ１０の周辺の磁場を計算した結果を示した図である。図２の磁場の計算結果が示すように、磁場はルツボ１０等の導電体の角に集中する。そのため角部の誘導電流が大きくなり、ルツボ１０の角部の発熱が大きくなる。これに比して、ルツボ底の中央部やルツボ１０の胴部等の発熱は小さい。これらの発熱が熱伝導や対流により伝熱してルツボ内の融液温度分布が決まる。
【００１０】
結晶育成時には結晶の成長に伴って融液１６０の液面が低下し、融液１６０と結晶の固液界面が融点を保つように高周波出力を低下させる。これに伴いルツボ底部中央部では温度が低下し、場合によってはルツボ底部中央より固化することがある。また、このままの状態で結晶の育成を続けた場合、固化した結晶はルツボ底部から上方に成長し、育成している結晶と融着してしまい、育成を中止しなければならない事態が発生することがある。
【００１１】
そこでルツボ以外の発熱体を補助発熱体として配置し、融液や雰囲気温度の分布を改善する提案が行われている。
【００１２】
例えば、特許文献１には、ルツボの下側のルツボ台内の空間に、ルツボの底面の面積より小さく、かつルツボの高さ方向に所定の長さを有する補助熱源体を設置する方法が開示されている。この補助発熱体の形状は、様々な形状を示しており、どの形状を用いても効果が得られるとの記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開昭５４−１６２６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、特許文献１に記載されている補助発熱体（補助ヒータ）は、無酸素の不活性ガス中で結晶育成を行う場合、耐熱性を有する物質であればタングステン、モリブデン、タンタル等の高融点金属を用いることも可能である。
【００１５】
しかしながら、タンタル酸リチウム等の酸化物単結晶の育成では、一般的に雰囲気をアルゴンガスに数％の酸素を混合したガスを使用している。これは、結晶育成中ＬＴ結晶が還元されて酸素欠損が発生するのを防止するためである。このため、タンタル酸リチウム等の酸化物単結晶の育成で酸素を混合したガスの場合、補助ヒータにタングステン、モリブデン、タンタル等の高融点金属では酸化してしまい使用することはできない。従ってこれらの材料の材質は酸化されにくい貴金属を使用することが望ましく、高価ではあるが、ルツボと同じ材質であるイリジウムを使用しなければならなかった。
【００１６】
また、ＬＴ単結晶に使用されるイリジウムは僅かではあるが酸素により昇華し、重量減少を起こす。イリジウム製補助ヒータも重量が減少したり、表面に変色層が発生したりした。
【００１７】
そこで、本発明は、上記事情に鑑み、補助ヒータを設置した単結晶育成装置において、補助ヒータの酸化を防止し高価な貴金属以外の材料を補助ヒータとして使用可能にする結晶育成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る結晶育成装置は、原料融液を貯留保持可能な金属製のルツボと、
前記ルツボの周囲に設けられる誘導コイルと、
前記ルツボの下方または周辺に設けられる補助ヒータと、
前記補助ヒータを密閉可能なシール構造を備えるヒータ密閉容器と、を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、タンタル酸リチウム等の酸化物単結晶の酸素を含有する不活性ガス中の育成にて、補助ヒータの酸化を防止し、貴金属以外の材料を補助ヒータの材料として使用可能な単結晶育成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の結晶育成装置の一例を示した概要図である。
【図２】電磁界解析の磁力線分布及び磁場強度分布を示した図である。
【図３】本発明の実施形態に係る結晶育成装置の一例の全体構成を示した図である。
【図４】第１の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器の一例の構成を示した拡大図である。
【図５】第２の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器の一例の構成を示した図である。
【図６】第２の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器のシール材の挙動を説明するための図である。
【図７】第３の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０ｂの一例の構成を示した図である。
【図８】第４の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０ｃの一例の構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【００２２】
本発明のチョクラスキー法を用いた結晶育成装置は、大気中または酸素を含んだ不活性
ガス雰囲気中で育成されるニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ３（以下、「ＬＮ」と略記する場合がある）、タンタル酸リチウムＬｉＴａＯ３（以下、「ＬＴ」と略記する場合がある）、イットリウムアルミニウムガーネットＹ３Ａｌ５Ｏ１２（以下ＹＡＧ）などの酸化物単結晶の製造に用いる結晶育成装置である。チョクラルスキー法は、ある結晶方位に従って切り出された種と呼ばれる、通常は数ｍｍ程度の単結晶の先端を、同一組成の融液に浸潤し、回転しながら徐々に引上げることによって、種結晶の方位と同一の単結晶を製造する方法である。
【００２３】
図１は、従来の結晶育成装置の一例を示した概要図である。従来の結晶育成装置は、補助ヒータを備えず、ルツボ１０と、ルツボ台２０と、リフレクタ３０と、アフター・ヒータ４０と、断熱材５０、６０と、シード棒７０と、誘導コイル８０を備える。
【００２４】
更に従来の引上げ装置を改良するものとして、特許文献１に記載されているように、補助ヒータをルツボ台内等に設置することができる。
【００２５】
従来、酸化物結晶は酸素を含んだ雰囲気で育成されるため、白金、ロジウムやイリジウム等の貴金属以外の高温で酸化する材料を補助ヒータとして使用できなかった。即ち、白金、ロジウム、イリジウム等の希金属は、酸化により減耗するものの、寿命までは継続して使用することが可能である。しかしながら、上述の貴金属以外の金属は、酸化により頻繁に部品交換する必要があり、金属自体が安価でも、結局コストが高くなってしまう。
【００２６】
発明者らは補助ヒータ１１０の酸化防止法について検討を行った結果、図３に示すように、金属からなる補助ヒータ１１０を断熱材中に密閉すれば酸化が防げるとの結論に達した。しかし、補助ヒータ１１０の温度は２０００℃以上になる、断熱材６０などから圧力を受けること等から、断熱材６０に単純に埋め込む構造では、断熱材６０と金属製の補助ヒータ１１０との熱膨張率の差による応力や残留気体の熱膨張で割れ易くなる。また、断熱材６０中に補助ヒータ１１０を真空封入することは技術的に難しい。
【００２７】
そこで、発明者らは、密閉方法を検討した結果、高沸点の液体シール材料を用いて不活性ガスを密閉することで上記課題を解決できた。以下、その内容について説明する。
【００２８】
図３は、本発明の実施形態に係る結晶育成装置の一例の全体構成を示した図である。図３に示される通り、本実施形態に係る結晶育成装置は、ルツボ１０と、ヒータ密閉容器１２０と、リフレクタ３０と、アフター・ヒータ４０と、断熱材５０、６０と、シード棒７０と、誘導コイル８０と、高周波電源８５と、載置台９０と、チャンバー１００と、補助ヒータ１１０とを有する。なお、本実施形態に係る結晶育成装置においても、図１に示した従来の結晶育成装置と同じ構成要素については、同一の参照符号を用いることとする。
【００２９】
ルツボ１０を支持するルツボ台２０が、ヒータ密閉容器１２０となっている点が、従来の結晶育成装置と大きく異なっている点である。ヒータ密閉容器１２０は、補助ヒータ１１０を密閉状態で収容可能な容器である。補助ヒータ１１０は、ヒータ密閉容器１２０の内部に設けられる。また、ヒータ密閉容器１２０は、ルツボ台２０としての機能も有し、下方からルツボ１０を支持する。
【００３０】
次に、本実施形態に係る結晶育成装置の個々の構成要素について説明する。
【００３１】
ルツボ１０は、結晶原料を貯留保持し、単結晶を育成するための容器である。ルツボ１０は高周波誘導加熱により発熱体として機能するため、抵抗の低い導電性の高い金属が用いられる。ＬＴ等の酸化物結晶は、酸素を含む雰囲気中で育成されるため、耐熱性がある貴金属、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等の単体又はそれらの合金を用いることが好ましい。
【００３２】
リフレクタ３０は、ルツボ１０の上端面上に配置され、ルツボ１０の上端面から内側に水平に延びた反射板である。即ち、リフレクタ３０は、ルツボ１０から上方に上昇する熱を反射し、下方に戻す機能を有する。なお、リフレクタ３０は、図４に示されるように、ルツボ１０の内側のみならず、外側に延びる部分も有してよい。リフレクタ３０も、誘導コイル８０の誘導加熱により発熱する。
【００３３】
アフター・ヒータ４０は、ルツボ１０の上方、より詳細にはリフレクタ３０上に、上方に延びるように設けられる。円筒形を有し、ルツボ１０の上方を囲むように配置される。アフター・ヒータ４０は、例えば、ルツボ１０よりもやや小さい直径を有する。アフター・ヒータ４０は、単結晶が引き上げられた際に、上昇する単結晶を側面から加熱する機能を有する。アフター・ヒータ４０も、誘導コイル８０の誘導加熱により発熱する。
【００３４】
このように、リフレクタ３０とアフター・ヒータ４０は、ルツボ材と同様の特性が要求されるため貴金属、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等の単体又はそれらの合金からなることが好ましい。
【００３５】
断熱材５０は、ルツボ１０、リフレクタ３０及びアフター・ヒータ４０を覆い、これらの熱が外部に放出されるのを低減させるための遮熱手段である。断熱材５０は、耐火材容器として機能し、アルミナやジルコニア、マグネシア、カルシア等の焼結体耐火物が使用される。
【００３６】
断熱材６０は、ルツボ１０の周辺を覆い、ルツボ１０からの放熱を低減させる遮熱手段である。ルツボ１０の周囲に配置された断熱材６０には、加熱冷却時に変形可能なアルミナやジルコニア、マグネシア、カルシア等の焼結体、バブル、粉末を用いることが好ましい。なお、断熱材６０は、必要に応じて設置しなくてもよい。なお、バブルとは中空球状の原料を意味する。
【００３７】
シード棒７０は、ルツボ１０から単結晶を引き上げるための手段である。シード棒７０の下端には、種結晶１５０が保持され、ルツボ１０内に保持されている原料融液１６０に種結晶１５０を接触させ、シード棒７０を回転させながら引き上げることにより、単結晶を成長させる。
【００３８】
誘導コイル８０は、ルツボ１０、リフレクタ３０、アフター・ヒータ４０及び補助ヒータ１１０を誘導加熱するための磁場発生手段である。高周波電源８５から誘導コイル８０に高周波電力を供給することにより、誘導コイル８０が磁場を発生し、導電体からなるルツボ１０、リフレクタ３０、アフター・ヒータ４０及び補助ヒータ１１０に渦電流を発生させ、これらを誘導加熱により発熱させる。
【００３９】
載置台９０は、ルツボ１０等を含めて断熱材５０を支持するための載置用の台である。載置台９０も、断熱材５０９と同様に、例えば、アルミナやジルコニア、マグネシア、カルシア等の焼結体耐火物から構成される。
【００４０】
チャンバー１００は、断熱材５０、載置台９０及び誘導コイル８０も含めて結晶育成装置全体を覆う手段であり、放熱を防止するために設けられる。
【００４１】
次に、補助ヒータ１１０及びヒータ密閉容器１２０についてより詳細に説明する。
【００４２】
まず、図１の構成の従来の結晶育成装置の誘導コイル８０に高周波電流を流した時の電磁界解析を行った。図２に電磁界解析の磁力線分布及び磁場強度分布を示す。図２より、ルツボ１０やアフター・ヒータ４０のような導電体で囲まれた領域や、ルツボ１０の底の下側には磁力線が侵入できないこと、磁力線がまばらで磁力線密度が小さい領域では、磁場エネルギーが小さいことが分かる。
【００４３】
高周波磁力線の近くに導電物があると、導電物に渦電流が生じる。導電物には電気抵抗があるため、電流の二乗に比例するジュール熱が生じて導電物が自己発熱する。渦電流は磁場強度が大きいと大きくなるため、図２に示されるように、ルツボ１０の底面の外周部やリフレクタ３０の外周の発熱が大きくなる。
【００４４】
磁力線は導電体内に侵入できないため、磁力線を遮る導電物があるとその周囲の磁場エネルギーが小さくなる。
【００４５】
そこで、ルツボ以外の位置に導電体を置いて補助ヒータ１１０を設け、補助ヒータ１１０の誘導加熱による発熱を検討した。図２から、補助ヒータ１１０は、ルツボ１０の下側やルツボ底の径よりも外側等に配置することができる。特にルツボ底の径よりも外側に配置することが好ましい。前述したように、ルツボ下側は、磁力性が侵入できなく磁力線がまばらな領域であり、発熱効率が小さい。一方、ルツボ底部の外側は、高周波磁力線の近くであり、発熱効率が大きい。そこで、以下の説明では、補助ヒータ１１０の位置がルツボ下部で、ルツボ底の径よりも外側である例を挙げて説明する。なお、補助ヒータ１１０の位置や形状、大きさは、用途に応じて種々変更することができ、任意である。
【００４６】
図４は、第１の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０の一例の構成を示した拡大図である。上述のように、ヒータ密閉容器１２０は、ルツボ１０の下方に設けられてルツボ１０を下方から支持するとともに、補助ヒータ１１０を収容して密閉する。
【００４７】
補助ヒータ１１０を密閉するヒータ密閉容器１２０は、図４に示されるように、緻密質断熱材からなる蓋１２１、蓋１２１より最大径が小さく蓋１２１が載る凸部１２２１と補助ヒータ１１０を載置可能な肩１２２２を有する支持台１２２、蓋１２１の径より大きな内径を有する受け皿１２３、蓋と受け皿の間に高温で融解するシール材１２４で構成されている。また、必要に応じて、支持台１２２の中央底面部に熱電対収納用管１２５が設けられてもよい。ここで、緻密断熱材とは、密封可能であり、通気性を有しない断熱材という意味であり、特殊加工を施して通常よりも緻密に作製しているという意味ではない。真空排気等を行ったときに、内部と外部を遮蔽でき、内部の減圧が可能なレベルを意図している。
【００４８】
なお、シール材１２４は常温時には固体であり、好ましくは、粉末あるいは粒状であることが好ましい。常温時にシール材１２４を固体にすることで、昇温前に育成炉内を窒素ガス、アルゴン等の希ガスを含む不活性ガスで置換することにより、補助ヒータ１１０のある箇所もシール材１２４が固体のため、シール材１２４の粉末同士又は粒子同士の間に隙間が存在し、シール材１２４より内側の空間も不活性ガスで置換することができる。なお、置換時に真空ポンプ等の排気手段を用いて減圧し、その後、育成炉内にアルゴンガスを導入してもよい。育成炉内を希ガスで容易に置換することができ、酸素の存在しない空間を形成することができる。温度が上昇すると、シール材１２４が融解し、受け皿１２３、支持台１２２、蓋１２１の隙間に液体として存在することにより、外気を遮断する。即ち、蓋１２１と支持台１２２と受け皿１２３との間の隙間構造をシール材１２４でシールすることができ、シール材１２４の内側の空間を密閉することができる。シール材１２４の内部には補助ヒータ１１０が設置されているため、補助ヒータ１１０を酸素と接触しない環境で密閉することができる。
【００４９】
このように、第１の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０は、蓋１２１の下端部及び下端部付近の側面を受け皿１２３と支持台１２２で覆い、蓋１２１と受け皿１２３及び支持台１２２との間の隙間にシール材１２４を充填させたシール構造を有する。
【００５０】
なお、補助ヒータ１１０を載せる肩１２２２は、支持台１２２の一部としても良い。以下は、支持台１２２に補助ヒータ１１０を配置した例につい説明する。
【００５１】
図５は、第２の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０ａの一例の構成を示した図である。
【００５２】
図５において、蓋１２１ａが、側面下部において、薄肉部１２１１を有する点で、第１の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０と異なっている。このように、シール材１２４で囲まれる内部空間の体積を増加させる構造としてもよい。
【００５３】
次に、第２の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０ａにおけるシール材１２４の挙動について説明する。
【００５４】
図６は、第２の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０ａのシール材１２４の挙動を説明するための図である。図６（ａ）は、融解直後のシール材１２４の状態の一例を示した図であり、図６（ｂ）は、高温状態のシール材１２４の状態の一例を示した図である。
【００５５】
図６（ａ）に示されるように、融解直後では、シール材１２４は、蓋１２１ａの下端部及びその上方の側面部を覆うような状態である。融解前の常温状態においても、シール材１２４が粉末状又は粒子状である点を除けば、図６（ａ）と同じ状態であるので、まず、常温時の状態について説明する。
【００５６】
常温時において、シール材１２４は、粉末状又は粒子状であり、蓋１２１ａの内周面と支持台１２２の外面とシール材１２４に囲まれた補助ヒータ１１０が設けられた内部空間１３０と、蓋１２１ａの外面よりも外側の外部空間１３１とで、通気が可能な状態である。よって、育成炉内を真空排気した後、アルゴン等の希ガス又は窒素等の不活性ガスを育成炉内に供給することにより、内部空間１３０も含めて育成炉内に希ガス又は不活性ガスを充填することが可能である。これにより、外部空間１３１のみならず、内部空間１３０も希ガス又は不活性ガスの雰囲気とすることができる。つまり、酸素の無い空間とすることができる。
【００５７】
その後、温度が上昇すると、シール材１２４が融解するが、融解直後では、図６（ａ）に示されるように、蓋１２１ａの内部空間１３０と外部空間１３１では、シール材１２４の高さは同じ状態である。
【００５８】
図６（ｂ）に示されるように、シール材１２４の融解温度よりも温度が上昇すると、補助ヒータ１１０のある内部空間１３０の気体が熱膨張し、図６（ｂ）に示されるように、シール材１２４を外側へ押し出す。シール材１２４の液面は、内圧がシール材１２４の内側と外側の重量差と外圧の和が釣り合った位置になる。ヒータ温度が２０００℃（２２７３Ｋ）まで上昇し、内部気体の温度もそれに等しいと仮定し、理想気体の状態方程式ＰＶ=ｎＲＴを使うと、融点４００℃（６７３Ｋ）の気体は、２０００℃では約３．４倍に体積が膨張する。そのためシール材１２４が外へ押し出されて、蓋１２１ａの下端部と受け皿１２３との間の隙間をシールできなくなる可能性がある。そこで、図５及び図６に示されるように、第２の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０ａでは、蓋１２１ａの側面のシール材１２４が充填される位置に薄肉部１２１１を設け、シール材１２４の融液溜まり１３００を途中から大きくし、高温度になり圧力が増して液面が下がると体積が大きくなり圧力が低下する構造とした。なお、内部と外部のシール材保持部分に内部の２．５倍以上の空間ができるようにシール材１２４を入れる部分を広げた構造を用いると、体積膨張によってシール材１２４が外部へ流出することは無い。
【００５９】
なお、シール材が融解後、アルゴン等の希ガス又は窒素等の不活性ガスに数容積％の酸素ガスを混合したガスを供給した状態で、ルツボ１０内の結晶材料が溶解するように所定の温度に昇温し、結晶を育成する。
【００６０】
図７は、第３の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０ｂの一例の構成を示した図である。第３の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０ｂは、蓋１２１ａの外側面と受け皿１２３の内側面との間の空間１３１に、シール蓋１４０を設けた点で、第２の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０ａと異なっている。
【００６１】
このように、シール材１２４の蒸発を抑制するため、図７に示されるように、外気に面した部分にシール蓋１４０を設けても良い。これにより、シール材１２４が受け皿１２３の外側に溢れることを確実に防止することができる。
【００６２】
また、シール蓋１４０は、断熱材６０がバブルや粉末の場合、シール材１２４中に断熱材６０の粉末が混入するのを防止することもできる。
【００６３】
なお、シール蓋１４０は、シール材を完全に密封するものではなく、補助ヒータ部を真空排気やアルゴン等の希ガス又は窒素等の不活性ガスの置換できる程度に空隙があってよい。
【００６４】
図８は、第４の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０ｃの一例の構成を示した図である。第４の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０ｂでは、ルツボ１０を支持するルツボ台２１がヒータ密閉容器１２０ｃとは別に設けられ、ヒータ密閉容器１２０ｃは、ルツボ台２１の周囲に円環状の平面形状を有して設けられている点で、第１乃至第３の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０、１２０ａ、１２０ｂと異なっている。
【００６５】
大口径の結晶を育成する場合には、蓋１２１、１２１ａのルツボ１０を支持している部分に加わる力が大きくなり、蓋１２１、１２１ａが割れやすくなる。それを防止するため、図８に示すように、ルツボ台２１とヒータ密閉容器１２０ｃとを分離し、ルツボ１０からの力はルツボ台２１で受け、ヒータ密閉容器１２０ｃの上部には力がかからない構造としている。これにより、補助ヒータ１１０を酸素に曝さない構造及び耐久性を維持しつつ、大口径の結晶を育成することができる。
【００６６】
また、図８に示したヒータ密閉容器１２０ｃでは、支持台１２２ａが肩を有さず、支持台１２２ａの上面に補助ヒータ１１０が載置され、補助ヒータ１１０を介して蓋１２１ｂを支持する構造となっている。蓋１２１ｂはルツボ１０に比較すれば大幅に軽いため、このような補助ヒータ１１０と蓋１２１ｂを重ねて支持する構造でも何ら問題は無い。
【００６７】
なお、これらの構造の相違に伴い、内部空間１３０ａ、外部空間１３１ａ及びシール蓋１４０ａの形状も図７の第３の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０ｂ及び第１、第２の実施形態に係る結晶育成装置のヒータ密閉容器１２０、１２０ａとは異なっている。
【００６８】
また、図８の左側に示されるように、受け皿１２３ａの底面には、シール材１２４が蓋１２１ｂの内側と外側とを通流可能とする通路１３２が形成されていてもよい。このように、シール材１２４が蓋１２１ｂの内側に入り込める構成となっているため、内側でシール材１２４が溢れることを防止すべく、数箇所に通路１３２を形成してもよい。
【００６９】
なお、第１乃至第４の実施形態において、何れの構造においても支持台１２２又はルツボ台２１にルツボ底の温度を測定する熱電対の穴と管１２５を設けた。これにより、ルツボ底の温度を測定することができる。
【００７０】
また、補助ヒータ１１０の材質は、耐熱性かつ耐酸化性のある白金、ロジウムやイリジウムとそれらの合金で作製してもよいし、他の高融点金属であるタングステン、モリブデンやタンタル又はグラファイト等で作製してもよい。上述のように、コスト低減の観点から、タングステン、モリブデンやタンタル又はグラファイト等で補助ヒータ１１０を構成することが好ましい。
【００７１】
補助ヒータ１１０は円環状の形状が好ましく、その厚さは０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲内であることが好ましく、１ｍｍ〜２ｍｍの範囲内にあることが更に好ましい。
【００７２】
シール材１２４は室温（２５℃）で固体であり、高沸点の材料が好ましく、アルミニウム、インジウム、スズなどの金属や低融点ガラス、酸化ホウ素が使用可能である。金属は断熱材を侵食したり、還元したりすることがあるので使用する際は注意が必要である。低融点ガラスは固化した後の処理が難しい。酸化ホウ素は高沸点であり室温では固定である。また、酸化ホウ素は、水、エチルアルコールや酸、アルカリで溶解可能であり、結晶育成後、ヒータ密閉容器１２０、１２０ａ〜１２０ｃ内で固化した酸化ホウ素を容易に除去できる。ＧａＡｓやＧａＰ等の化合物半導体育成では、ＬＥＣ引上げ法（液体封止引上げ法）のキャップ材として使用されており入手しやすい。そのような理由からシール材として酸化ホウ素を用いることが好ましい。
【００７３】
また、蓋１２１、１２１ａ、１２１ｂが支持台１２２、１２２ａと平面的に包含して覆い、受け皿１２３、１２３ａが蓋１２１、１２１ａ、１２１ｂを平面的に包含する大きさいの関係を有する限り、蓋１２１、１２１ａ、１２１ｂ、支持台１２２、１２２ａ及び受け皿１２３、１２３ａの平面形状は、円形又は円環形状に限らず、種々の形状に構成することが可能である。
【００７４】
このように、本実施形態に係る結晶育成装置によれば、常温で固体、高温で融解するシール材１２４を用いて、シール材１２４が融解した時にのみヒータ密閉容器１２０、１２０ａ〜１２０ｃの隙間構造を密閉するシール構造を有することにより、補助ヒータ１１０が設けられる内部空間１３０を不活性ガスで満たすことができ、補助ヒータ１１０の酸化を確実に防止することができる。これにより、酸化するおそれのある金属であっても補助ヒータ１１０として採用することができ、コスト低減を図ることができる。
【００７５】
［実施例］
以下、本発明の実施例について説明する。なお、理解の容易のため、実施形態の説明で用いた参照符号を対応する構成要素に付して説明する。
【００７６】
［実施例１］
図５の構成の補助ヒータ密閉容器１２０ａを用いた第２の実施形態に係る結晶育成装置を使用して６インチＬＴ結晶を育成した。上蓋１２１ａ、ルツボ材にはジルコニアを用い、受け皿１２３はアルミナ製とした。また、断熱材６０はジルコニア製の焼結体を設置した。補助ヒータ１１０からシール材１２４の融液溜まり１３００までの距離を１５０ｍｍ、融液溜まり１３００の容積は、補助ヒータ１１０が設けられているヒータ部の容積（ヒータ部の容積は、融液溜まりよりも上方の領域とする。）の１０倍とした。シール材１２４として純正化学製の酸化ホウ素粉末を使用した。酸化ホウ素の重量は融液溜まりの上部に達するように計算して添加した。タングステン製の厚み１．５ｍｍ、幅２０ｍｍの補助ヒータ１１０を、内径はルツボ外周から５ｍｍの距離、外周は２５ｍｍの距離となるように設置した。
【００７７】
上述の結晶育成装置を用いて育成を実施した。なお、昇温前に（炉内を油回転ポンプで０．１気圧以下に減圧して）アルゴンガスで炉内を置換した。この時、シール材１２４である酸化ホウ素は粉末であり、アルゴンガスを通し補助ヒータ１１０のある箇所も置換された。この状態で６００℃温度に昇温した。この時にシール材１２４は融解し、補助ヒータ１１０を置換雰囲気の状態のままヒータ密閉容器１２０ａ内に密封した。その後、アルゴン雰囲気に２容積％の酸素ガスを混合したガスを供給した状態で、ルツボ１０内の結晶材料が溶解するように所定の温度に昇温した。ルツボ内の結晶材料を溶解したのち引上げを開始し結晶を育成した。
【００７８】
育成中、ルツボ底からの固化を監視するためルツボ底の近傍に熱電対を設置してルツボ底で固化した時の温度変化を確認し固化の発生の有無を確認した。また、ルツボ底に固化が確認された時点で、結晶の育成は終了した。
【００７９】
また、ＬＴの結晶重量から以下の（１）式で結晶化率を算出した。
【００８０】
結晶化率＝結晶重量／原料重量          （１）
なお、ルツボ底に固化が発生した時は、固化が発生した時に育成を終了するためその時の結晶重量として算出した。固化が発生しなかった場合は、所定の結晶長さに育成し、その結晶重量として算出した。
【００８１】
また、育成終了後、補助ヒータの状況を確認した。その結果を表１に記載する。
【００８２】
【表１】
2019167282.tif 000003
実施例１では、育成中の固化信号の発生が無く、結晶化率４７％の結晶が育成できた。補助ヒータ１１０の重量変化は無かった。
【００８３】
［実施例２］
モリブデン製補助ヒータ１１０を設置した以外は実施例１と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成中の固化の発生が無く、結晶化率４６％の結晶が育成できた。補助ヒータ１１０の重量変化は無かった。
【００８４】
［実施例３］
グラファイト製補助ヒータ１１０を設置した以外は実施例１と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成中の固化の発生が無く、結晶化率４７％の結晶が育成できた。補助ヒータ１１０の重量変化は無かった。
【００８５】
［実施例４］
図７に示す構成のヒータ密閉容器１２０ｂを用いた第３の実施形態に係る結晶育成装置を使用し、断熱材６０はジルコニアバブルとした以外は、実施例１と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成中の固化の発生が無く、結晶化率４５％の結晶が育成できた。
【００８６】
［実施例５］
図７に示す構成のヒータ密閉容器１２０ｂを用いた第３の実施形態に係る結晶育成装置を使用し、断熱材６０はジルコニアバブルとした以外は実施例２と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成中の固化の発生が無く、結晶化率４６％の結晶が育成できた。
【００８７】
［実施例６］
図７に示す構成のヒータ密閉容器１２０ｂを用いた第３の実施形態に係る結晶育成装置を使用し、断熱材６０はジルコニアバブルとした以外は実施例３と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成中の固化の発生が無く、結晶化率４７％の結晶が育成できた。
【００８８】
［比較例１］
シール材１２４を用いない以外は実施例１と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成途中でるつぼ底温度が急に低下しルツボ底で固化が発生し、育成を中止した。タングステン製ヒータ表面が酸化し、補助ヒータ１１０にクラックが発生していた。
【００８９】
［比較例２］
シール材１２４を用いない以外は実施例２と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成途中でるつぼ底温度が急に低下しルツボ底で固化が発生し、育成を中止した。モリブデン製ヒータ表面が赤紫色に酸化、一部が昇華して薄くなっていた。
【００９０】
［比較例３］
補助ヒータ密閉容器を用いず、断熱材となるＺｒＯ２粉末中にルツボ底と同じ面にタングステン製の厚み１．５ｍｍ、幅２０ｍｍの補助ヒータ１１０を設置した。補助ヒータ１１０の内径はルツボ外周から５ｍｍの距離、外周は２５ｍｍの距離となるように補助ヒータ１１０を設置した。育成途中でルツボ底温度が急に低下しルツボ底で固化が発生し、育成を中止した。タングステン製ヒータ表面が酸化、蒸発し薄くなり、補助ヒータ１１０が割れていた。
【００９１】
［比較例４］
補助ヒータ１１０としてモリブデンを用いた以外は比較例３と方法で引き上げ試験を行った。育成途中でルツボ底温度が急に低下しルツボ底で固化が発生し、育成を中止した。モリブデン製ヒータ表面が赤紫色に酸化、一部が昇華して薄くなり、割れていた。
【００９２】
［比較例５］
ヒータとしてイリジウムを用いた以外は比較例３と方法で引き上げ試験を行った。育成中の固化信号の発生が無く、結晶化率４５％の結晶が育成できた。イリジウム製ヒータ表面が灰色に変色し重量も減少していた。
【００９３】
［比較例６］
補助ヒータ１１０を用いない以外は実施例１と同様の方法で引き上げ試験を行った。育成中の結晶化率３２％でルツボ底の固化が発生した。
【００９４】
表１に示される通り。実施例１〜６においては、結晶化率が総て４５％以上であり、ルツボ下部の固化も見られないという良好な結果が得られた。
【００９５】
一方、比較例１〜４では、補助ヒータに異常が発生し、結晶を製造することができなかった。
【００９６】
このように、実施例から、本実施形態に係る結晶育成装置によれば、ヒータ異常を発生させず、高い結晶化率を実現でき、長尺化に対応できることが示された。
【００９７】
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【符号の説明】
【００９８】
１０    ルツボ
２０、２１    ルツボ台
３０    リフレクタ
４０    アフター・ヒータ
５０、６０    断熱材
７０    シード棒
８０    誘導コイル
８５    高周波電源
９０    載置台
１００    チャンバー
１１０    補助ヒータ
１２０、１２０ａ〜１２０ｃ    ヒータ密閉容器
１２１、１２１ａ、１２１ｂ    蓋
１２２、１２２ａ    支持台
１２２１    凸部
１２２２    肩
１２３、１２３ａ    受け皿
１２４    シール材
１３０、１３１    空間
１３２    通路
１４０    シール蓋
１５０    種結晶
１６０    原料融液
【図１】
2019167282.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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