(57)【要約】【課題】新品イリジウム坩堝の初回の加熱において、イリジウム坩堝が破損することなく原料を融解させる加熱方法を提供することを目的とする。【解決手段】坩堝内に投入された原料を加熱手段で加熱溶融した原料融液表面に種結晶を接触させ、回転させながら引上げることで単結晶を育成するＣｚ法による酸化物単結晶育成方法において、新規に使用を開始する新品坩堝を用いる場合の新品坩堝加熱方法であって、  前記新品坩堝内に投入した原料を前記加熱手段で連続的に加熱して加熱溶融するのに必要な目標出力よりも低い第１の出力まで出力して前記新品坩堝を加熱する工程と、  前記第１の出力を維持する工程と、  前記目標出力に到達するまで、前記目標出力以下で第（ｎ−１）の出力よりも高い第ｎの出力（ｎは１ずつ増加する２以上の自然数）まで出力して前記新品坩堝を加熱する工程と、前記第ｎの出力を維持する工程を繰り返す。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
坩堝内に投入された原料を加熱手段で加熱溶融した原料融液表面に種結晶を接触させ、回転させながら引上げることで単結晶を育成するＣｚ法による酸化物単結晶育成方法において、新規に使用を開始する新品坩堝を用いる場合の新品坩堝加熱方法であって、
前記新品坩堝内に投入した原料を前記加熱手段で連続的に加熱して加熱溶融するのに必要な目標出力よりも低い第１の出力まで出力して前記新品坩堝を加熱する工程と、
前記第１の出力を維持する工程と、
前記目標出力に到達するまで、前記目標出力以下で第（ｎ−１）の出力よりも高い第ｎの出力（ｎは１ずつ増加する２以上の自然数）まで出力して前記新品坩堝を加熱する工程と、前記第ｎの出力を維持する工程を繰り返す、新品坩堝の加熱方法。
【請求項２】
前記第（ｎ−１）の出力よりも高い前記第ｎの出力まで出力して前記新品坩堝を加熱する工程における昇温レートと、前記原料を前記加熱手段で連続的に加熱して加熱溶融する際の昇温レートは等しい請求項１に記載の新品坩堝の加熱方法。
【請求項３】
前記第ｎの出力と前記第（ｎ−１）の出力は等しく、前記目標出力をｎ等分した出力である請求項１又は２に記載の新品坩堝の加熱方法。
【請求項４】
前記加熱方法の昇温時間を２時間以上３時間以下に設定した請求項１乃至３のいずれか一項に記載の新品坩堝の加熱方法。
【請求項５】
前記新品坩堝は、イリジウム製である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の新品坩堝の加熱方法。
【請求項６】
前記加熱手段は、高周波コイルを用いた誘導加熱方式により前記新品坩堝を加熱する請求項５に記載の新品坩堝の加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波誘導加熱式育成炉等を用いたチョクラルスキー法（以下、「Ｃｚ法」とする場合がある）において、原料融液が貯蔵されるイリジウム製坩堝を新規に使用する時の初回加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体であるタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3：以下、「ＬＴ」と略称する。）単結晶やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：以下、「ＬＮ」と略称する。）単結晶から加工される酸化物単結晶基板は、主に移動体通信機器において電気信号ノイズを除去する表面弾性波素子（ＳＡＷフィルター）の材料として用いられている。
【０００３】
ＳＡＷフィルターの材料となるＬＴ、ＬＮ単結晶は、産業的には、主にＣｚ法により育成され、例えば、特許文献１に記載の高周波誘電加熱式育成炉が使用される。Ｃｚ法とは、図１に示すように、坩堝内の原料融液表面に種結晶となる単結晶片を接触させ、該種結晶を回転させながら上方に引き上げることにより種結晶と同一方位の円筒状単結晶を育成する方法である。例えば、ＬＴ単結晶育成の場合、ＬＴ結晶の融点が１６５０℃と高温であることから、高融点金属であるイリジウム（Ｉｒ）製の坩堝を用い、所定のＬＴ原料を充填し、高周波誘導加熱式の電気炉（育成炉）を用いて育成されている。
【０００４】
この坩堝材として用いられるイリジウムは、堅くて脆い性質があり、急激な温度変化を与えるだけでもイリジウム坩堝に微小なクラックが発生してしまう。そのため、特許文献２で示されているように、原料融解工程における昇温の所要時間は、出力ゼロの状態から原料融解に設定した高周波出力まで１時間かけて行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１９−６６１２号公報
【特許文献２】特開２０１９−１８９４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、新品のイリジウム坩堝にＬＴ原料を充填し、昇温時間を１時間に設定して加熱したところ、イリジウム坩堝に微小なクラックが発生し、クラック部分からＬＴ原料が漏れ出す事があった。イリジウムは高価な金属であり、また、融点が高く加工がしにくい材質であることから、クラック修理の加工費も高額となり、新品のイリジウム坩堝が初回の昇温で破損してしまうと経済的な負担が大きくなる。
【０００７】
このため、新品のイリジウム坩堝については、事前に原材料が無い状態で、昇温し、予定の温度で保持し冷却する一連の作業を行ってから結晶育成している。昇温から冷却までの一連の作業は、1日程度必要であり生産性を損なっていた。
【０００８】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、新品イリジウム坩堝の初回の加熱において、イリジウム坩堝が破損することなく原料を融解させる加熱方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る新品坩堝の加熱方法は、坩堝内に投入された原料を加熱手段で加熱溶融した原料融液表面に種結晶を接触させ、回転させながら引上げることで単結晶を育成するＣｚ法による酸化物単結晶育成方法において、新規に使用を開始する新品坩堝を用いる場合の新品坩堝加熱方法であって、
前記新品坩堝内に投入した原料を前記加熱手段で連続的に加熱して加熱溶融するのに必要な目標出力よりも低い第１の出力まで出力して前記新品坩堝を加熱する工程と、
前記第１の出力を維持する工程と、
前記目標出力に到達するまで、前記目標出力以下で第（ｎ−１）の出力よりも高い第ｎの出力（ｎは１ずつ増加する２以上の自然数）まで出力して前記新品坩堝を加熱する工程と、前記第ｎの出力を維持する工程を繰り返す。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、新品のイリジウム坩堝が初回の加熱で破損することなく、経済的な負担の軽減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】高周波誘導加熱式単結晶育成装置の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図２】従来の坩堝の加熱方法の一例について説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態に係る新品の坩堝の加熱方法の一例を説明するための図である。
【図４】目標高周波出力を４分割した場合の新品坩堝の加熱方法の例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
はじめに、図１を参照して、Ｃｚ法による単結晶育成装置の構成例、および、単結晶育成方法の概要について説明する。
【００１４】
図１は、高周波誘導加熱式単結晶育成装置の概略構成を模式的に示す断面図である。高周波誘導加熱式単結晶育成装置は、坩堝１０と、耐火物２０と、坩堝台３０と、ワークコイル４０と、引上げ軸５０と、ロードセル６０と、チャンバー７０と、高周波電源８０と、制御部９０を備える。
【００１５】
また、引上軸５０の下端には種結晶保持部５１が設けられ、種結晶１１０を保持している。また、坩堝１０内には原料融液１２０が貯留保持されている。
【００１６】
ワークコイル４０は高周波コイルであり、ワークコイル４０によって形成される高周波磁場によりワークコイル４０内に設置されている坩堝１０の側壁に渦電流が発生し、その渦電流によって坩堝１０自体が発熱体となり、坩堝１０内にある原料の融解や結晶育成に必要な温度環境の形成を行う。
【００１７】
図１に示すように、高周波誘導加熱式単結晶育成装置は、チャンバー７０内に坩堝１０を配置する。坩堝１０は、坩堝台３０上に載置される。チャンバー７０内には、坩堝１０を囲むように耐火物２０が配置されている。坩堝１０を囲むようにワークコイル４０が配置され、ワークコイル４０が形成する高周波磁場によって坩堝１０の側壁に渦電流が流れ、坩堝１０自体が発熱体となる。チャンバー７０の上部には引上げ軸（シード棒）５０がモータ５２により回転可能かつ上下方向に移動可能に設けられている。引上げ軸（シード棒）５０上端の先端部には、結晶重量を計測するためのロードセル６０が取り付けられている。引上げ軸（シード棒）５０の下端の先端部には、種結晶１１０を保持するためのシードホルダ５１が取り付けられている。そして、引上げ軸５０、引上げ軸駆動用モータ５２及びロードセル６０以外の構成要素を、チャンバー７０が覆っている。
【００１８】
また、結晶育成装置全体の動作を制御するための制御部９０と、ワークコイル４０及び単結晶育成装置全体に電力を供給するための高周波電源８０がチャンバー７０の外部に設けられる。
【００１９】
そして、ＬＴ単結晶を育成する場合は、ＬＴ結晶の融点が１６５０℃であることから、高融点金属であるイリジウム（Ｉｒ）製の坩堝１０が用いられる。本実施形態に係る新品坩堝の加熱方法は、イリジウム以外の材料からなる新品坩堝にも適用可能であり、イリジウム製の坩堝に限られるものではないが、本実施形態においては、ＬＴ単結晶を製造し、坩堝１０はイリジウム製の坩堝１０である例を挙げて説明する。
【００２０】
図２は、従来の坩堝の加熱方法の一例について説明するための図である。即ち、イリジウム製の坩堝１０の加熱方法を図２の説明図を用いて説明する。まず、イリジウム製の坩堝１０にＬＴ原料を所定量充填し、原料を融解させる。昇温時間は、特許文献２に示されているように出力ゼロの状態から原料融解に設定した高周波出力まで１時間かけて昇温させる。その後、高周波出力を保持し、昇温開始から7時間かけて原料を全量融かす。図２に示されるように、この時のワークコイル４０の高周波出力は、連続的に加熱して線形的に高周波出力を増加させ、原料を融解させるのに必要な目標高周波出力に到達したら、そのまま目標高周波出力を維持する。
【００２１】
Ｃｚ法では、坩堝１０内の単結晶の原料融液１２０の表面に種結晶１１０となる単結晶片を接触させ、種結晶１１０を引上げ軸（シード棒）５０により回転させながら上方に引上げることにより、種結晶１１０と同一方位の円筒状単結晶を育成する。
【００２２】
育成時の引上げ速度は、一般的には数ｍｍ／Ｈ程度、回転速度は数〜数十ｒｐｍ程度で行われる。また、育成時の炉内は、酸素濃度数％程度の窒素−酸素の混合ガス雰囲気とするのが一般的である。このような条件下で、所望の大きさまで結晶を育成した後、引上げ速度の変更や融液温度を徐々に高くする等の操作を行うことで、育成結晶を融液から切り離し、その後、育成炉のパワーを所定の速度で低下させることで徐冷し、炉内温度が室温近傍となった後に育成炉内から結晶を取り出す。
【００２３】
ここで、原料融解工程の時間を短縮して結晶育成時間を延長させればＬＴ単結晶の生産性の向上が図れるが、坩堝材として用いられるイリジウムは、急激な温度変化を与えると微小クラックが発生し破損してしまう。そのため、昇温時間は特許文献２で示されている０．７５〜１時間で設定するのが一般的である。
【００２４】
新規に使用を開始する新品のイリジウム坩堝１０にＬＴ原料を充填し、昇温時間を１時間に設定して加熱溶融したところ、イリジウム坩堝１０に微小クラックが発生し、クラック部分からＬＴ原料が漏れ出す事があった。
【００２５】
イリジウム坩堝１０は、熱間で鍛造、圧延された板材を坩堝サイズの板に切断し、溶接、切削加工して坩堝形状に仕上げられる。新品のイリジウム坩堝１０には加工の際に生じた加工歪みが蓄積されている。通常行われる０．７５〜１時間の昇温時間では、加工歪みによる内部応力が緩和されず、微小クラックの発生に至ったものと考えられる。
【００２６】
そこで、本発明者は、イリジウムの急激な温度変化に弱い性質に着目し、昇温時間を変更した試験を行った結果、新品のイリジウム坩堝１０に微小クラックが発生しない加熱方法を見出すに至った。
【００２７】
以下、本発明の実施形態に係る新品イリジウム坩堝の加熱方法について詳細に説明する。
【００２８】
まず、新品のイリジウム坩堝１０を高周波誘導加熱式単結晶育成装置に設置する。イリジウム坩堝周りに耐火物２０を構築し、イリジウム坩堝１０にＬＴ原料を所定量充填する。原料充填後、イリジウム坩堝１０の上部の耐火物を構築する。イリジウム坩堝１０とワークコイル４０との位置は、従来の結晶育成で設定している条件で良い。
【００２９】
図３は、本発明の実施形態に係る新品のイリジウム坩堝１０の加熱方法の一例を説明するための図である。ワークコイル４０の高周波出力の昇温レートは、出力ゼロの状態から原料融解に設定した高周波出力、即ち目標高周波出力まで１時間かけて昇温させる時の昇温レートに設定する。
【００３０】
次に、原料を融解して原料融液を生成するのに必要な高周波出力（目標高周波出力）を１００％として複数回分割し、分割した後に一定期間、その出力を保持する。例えば、５分割し、高周波出力を２０％分昇温した後に１５分以上、より好ましくは２０分以上、高周波出力を保持する。その後、昇温を再開し、高周波出力を２０％分昇温した後に１５分以上、より好ましくは２０分以上、高周波出力を保持させる。このように段階的に高周波出力を昇温し、各段階で高周波出力の保持を入れる事によって、イリジウム坩堝１０に蓄積された加工歪みによる内部応力が緩和され、微小クラックの発生を抑制する事が出来る。
【００３１】
高周波出力の分割数は特に限定はないが、４分割にしても良い。高周波出力を４段階で昇温させる場合は、高周波出力の保持時間は２０分以上に設定し、昇温時間を２時間以上３時間以下に設定してイリジウム坩堝１０の加熱を行う。
【００３２】
なお、分割回数は、３分割以下でも可能ではあるが、イリジウム坩堝１０の急激な温度上昇が起こる可能性があり、昇温レートを従来昇温レートより低く設定する必要がある。
新品のイリジウム坩堝１０を、分割をしないで保持時間を設けずに加熱する場合、昇温レートを１／４程度で行うことで微小クラックの発生を抑制する事が出来るが、昇温時間が長くなり、生産性が悪化して好ましくない。
このようにして加熱されたイリジウム坩堝は、加工歪みによる内部応力が緩和されているため、以降のイリジウム坩堝の加熱は、通常通りの０．７５〜１時間の昇温を行って問題ない。
【００３３】
図４は、目標高周波出力を４分割した場合の新品坩堝の加熱方法の例を示した図である。図４に示されるように、４分割の場合には、１回の昇温が目標高周波出力の１／４、即ち２５％となる。この場合、１回の昇温幅が大きくなるが、保持時間を２０分と５分割の場合もよりも長くすることにより、やはり微小クラックの発生を抑制しつつ原料融液を生成することが可能となる。
【００３４】
なお、このような加熱制御は、制御部９０が行う。制御部１０は、高周波電源８０の出力を制御し、ワークコイル４０からの出力を制御することができる。
【００３５】
図３、４においては、目標高周波出力を等分割する例を挙げて説明したが、昇温工程と温度保持工程を繰り返す限り、かならずしも全ての昇温時間及び温度保持時間が一定である必要はなく、目標高周波出力よりも低い第１の出力、第１の出力よりも高く目標高周波出力以下の第２の出力、という条件を満たして段階的に昇温させてゆき、昇温の後に温度保持工程を入れるようにすれば、必ずしも等分割で温度を上昇させる必要はない。
【００３６】
即ち、目標出力をｎ段階に分割し、第（ｎ−１）の出力から第ｎの出力への昇温（ｎは２以上の自然数で１ずつ増加）、第ｎの出力の維持、ということを繰り返して、階段状に出力して原料を融解してゆけば、微小クラックを発生させずに溶融原料を生成することが可能となる。
【００３７】
しかしながら、均一な割合での昇温という観点からは、目標高周波出力を等分割して角段階の出力を定めることが好ましい。
【００３８】
また、本実施形態では、加熱方式が高周波加熱方式の場合である例を挙げて説明したが、ワークコイル４０の代わりに抵抗加熱ヒータを用いて坩堝１０を加熱する抵抗加熱式単結晶育成装置を用いる場合にも、本実施形態に係る新品坩堝の加熱方法を適用することができる。
【００３９】
このように、本実施形態に係る新品坩堝の加熱方法によれば、坩堝１０に微小クラックを発生させることなく、原料を融解させることができる。
【００４０】
［実施例］
次に、本発明の実施例について具体的に説明する。
【００４１】
［実施例１］
新品のイリジウム坩堝を用いて、図１に示す構成を構築し、図３に示す５段階で昇温させるプログラムでイリジウム坩堝の加熱を行った。昇温レートは、出力ゼロの状態から原料融解に設定した高周波出力まで１時間かけて昇温させる時の昇温レートに設定し、高周波出力の保持時間はそれぞれ１５分とした。昇温時間の合計は２時間である。
【００４２】
新品のイリジウム坩堝を２０個加熱した結果、微小クラックの発生はゼロで破損したイリジウム坩堝は無かった。
［実施例２］
新品のイリジウム坩堝を用いて、図１に示す構成を構築し、図４に示す４段階で昇温させるプログラムでイリジウム坩堝の加熱を行った。昇温レートは、出力ゼロの状態から原料融解に設定した高周波出力まで１時間かけて昇温させる時の昇温レートに設定し、高周波出力の保持時間はそれぞれ２０分とした。昇温時間の合計は２時間である。
【００４３】
新品のイリジウム坩堝を２８個加熱した結果、微小クラックの発生はゼロで破損したイリジウム坩堝は無かった。
［比較例１］
新品のイリジウム坩堝を用いて、図１に示す構成を構築し、通常の原料融解で行うプログラムでイリジウム坩堝の加熱を行った。昇温レートは、出力ゼロの状態から原料融解に設定した高周波出力まで１時間かけて昇温させた。
【００４４】
新品のイリジウム坩堝を２０個加熱した結果、イリジウム坩堝に微小クラックが発生し、クラック部分からＬＴ原料が漏れた坩堝が２個有った。
［比較例２］
新品のイリジウム坩堝を用いて、図１に示す構成を構築し、通常の原料融解で行うプログラムでイリジウム坩堝の加熱を行った。なお、昇温レートは、出力ゼロの状態から原料融解に設定した高周波出力まで４時間かけて昇温させた。
【００４５】
新品のイリジウム坩堝を１５個加熱した結果、微小クラックの発生はゼロで破損したイリジウム坩堝は無かった。但し、昇温時間は４時間と長くなり、生産性は悪化した。
【００４６】
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】
【００４７】
１０    坩堝
２０    耐火物
３０    坩堝台
４０    コイルヒータ
５０    引上げ軸
５１    種結晶保持部
５２    引上げ軸駆動用モータ
６０    ロードセル
７０    チャンバー
８０    高周波電源
９０    制御部
１１０    種結晶
１２０    原料融液
【図１】
2022001541.tif 000003
【図２】
2022001541.tif 000004
【図３】
2022001541.tif 000005
【図４】
2022001541.tif 000006