(57)【要約】  融液から真にバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させる方法及び装置並びに溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶が開示されている。成長法は、Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）を含む貴金属製のるつぼ（４）を加熱する間に、初めは非導電性のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）を制御されて分解し、このようにして温度上昇と共にＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）の導電率を増加させて、Ｉｎ２Ｏ３付近でのるつぼ壁（２６）を介しての誘導コイル（６）の電磁場と結合するのに十分な導電率にする。このような結合により液状のＩｎ２Ｏ３出発物質の一部（２３．１）が電磁浮上し、その際、首部（２６）が結晶種として働く。液状のＩｎ２Ｏ３出発物質を含む貴金属製のるつぼ（４）を冷却する間、少なくとも１つのバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶（２８．１、２８．２）が形成される。この新規な結晶成長法を我々は「浮上支援自己種形成結晶成長法」と名付けた。融液からバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させる装置は、誘導加熱されるサーマルシステムを備え、サーマルシステムは貴金属製のるつぼ（４）と排出通路（２２、２２．１）とを備え、排出通路（２２、２２．１）は、Ｉｎ２Ｏ３のガス状の分解生成物を排出させ、その際、非常に低い温度勾配を維持する働きをする。誘導コイル（６）と、貴金属製のるつぼ（４）と、るつぼをカバーする蓋（２）を利用して、非常に低い温度勾配、十分な排出通路及び高い浮上力を得ることができる。溶融成長Ｉｎ２Ｏ３単結晶の電気特性は、適切な雰囲気中で適切な温度で少なくとも１つの熱処理により広い範囲で変更できる。
2015515441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させる方法であって：ｉ）成長チャンバ（２）内にサーマルシステム（３、１０３）を設けるステップであって、前記サーマルシステム（３、１０３）が、初めに非導電性のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）を含む貴金属製のるつぼ（４、１０４）と、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の底部及び側面を囲む、るつぼ断熱材（９）と、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の周囲に配置して、無線周波数（ＲＦ）発生器（７）に接続する誘導コイル（６、１０６）とを備えるものであり、前記るつぼの壁厚（ｔｈ）を、下記式に示すように、前記誘導コイルにより貴金属製のるつぼ壁（２４）内に誘導された渦電流の侵入深さより大きくしないステップ
【数１】
2015515441.tif 000009
（ここで、δは侵入深さ（すなわち表皮厚さ）であり、ｆは発生器周波数であり、μは透過率であり、σは前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の導電率であり、前記発生器周波数は、およそ１ｋＨｚ〜２ＭＨｚである。）；
ｉｉ）前記サーマルシステム（３、１０３）のカバー（１０、１１０）により、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）を閉じるステップであって、前記サーマルシステム（３、１０３）が、少なくとも１つの蓋（１２、１１２）と、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の内部からＩｎ２Ｏ３のガス状の分解生成物（２７）を除去し、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の内部を成長雰囲気（２１）に連通させて維持する、少なくとも１つの排出通路（１１、１１．１、２２、２２．１、１１１、１１１．１、１１１．３、１１１．４、１１１．５、１１１．６）とを備える、ステップ；
ｉｉｉ）少なくとも前記サーマルシステム（３、１０３）内に前記成長雰囲気（２１）を導入するステップであって、前記成長雰囲気（２１）が、Ｉｎ２Ｏ３の融点付近で０．００５〜０．２ｂａｒの間の酸素分圧を供給するステップ；
ｉｖ）前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）からの熱伝導及び熱放射により前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）を加熱するステップであって、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）を前記誘導コイル（６）により誘導加熱するステップ；
ｖ）少なくとも前記サーマルシステム（３、１０３）の内側でＩｎ２Ｏ３の分解を回避ためするには不十分な酸素分圧を維持するステップであって、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）を加熱する間に前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）の分解を制御して、その際の温度上昇と共に前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）の導電率を増加するステップ；
ｖｉ）前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の壁（２４）を介して、前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）内に渦電流を誘導するステップであって、前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）を、その融点付近で導電性とするステップ；
ｖｉｉ）伝導加熱、放射加熱及び電気加熱の組み合わせによって前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）を溶融するステップであって、前記電気加熱が、前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）内に直接に誘導された渦電流に起因するステップ；
ｖｉｉｉ）前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）の少なくとも一部（２３．１）を電磁浮上させると同時に、前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）の首部（２６）を形成するステップであって、前記首部（２６）が、融液の浮上頂部（２３．１）から前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）の底部（２３．２）に向かって延びるか、又は、前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）が浮上している場合には、前記るつぼ底部に向かって延びるステップ；
ｉｘ）少なくとも１つの溶融検出手段（１４、１７、１９）によって、前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）の融点を監視及び検出するステップ；
ｘ）前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）を含む貴金属製のるつぼ（４、１０４）を室温まで冷却するステップ；及び
ｘｉ）前記冷却ステップの間に、液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）を凝固させると同時に、前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）の浮上部分及び非浮上部分から１つ以上のバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶（２８．１、２８．２）を形成するステップであって、前記浮上部分及び非浮上部分を、種として機能する前記液状の首部（２６）の頂部側及び底部側にて凝固させるか、又は、全ての液状のＩｎ２Ｏ３出発物質が浮上している場合には、前記液状の首部（２６）の頂部側で凝固させるステップ
を備える方法。
【請求項２】
ｖｉｉ）の溶融ステップと、ｘ）の冷却ステップとの間に、
ｘｉｉ）前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）を所定の時間に亘って液相に保持し、Ｉｎ２Ｏ３を分解してその導電率を増加するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ｘｉｉｉ）検出された融点に対して最大５％だけ液相の前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）を過熱し、Ｉｎ２Ｏ３を分解してその導電率を増加するステップを更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
酸素を供給する成長雰囲気（２１）にて、温度が室温から１９５０〜２１００℃に上昇するにつれて、前記酸素分圧を約０ｂａｒから約０．１ｂａｒ、好ましくは約０ｂａｒから約０．０４ｂａｒまで変化させる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記液相のＩｎ２Ｏ３から凝固点までの前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の冷却速度が、５０Ｋ／ｈ〜２０００Ｋ／ｈである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記サーマルシステム（３、１０３）の前記カバー（１０、１１０）が蓋（１２、１１２）を備え、前記蓋が少なくとも１つの排出開口（１１、２２、２２．１、１１１、１１１．１、１１１．３）の形の少なくとも１つの排出通路を有し、前記少なくとも１つの排出通路が前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）からＩｎ２Ｏ３のガス状の分解生成物（２７）を除去し、前記排出開口の横断面積が前記るつぼの横断面積の０．２５％〜３０％である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記蓋（１２、１１２）の少なくとも１つの排出開口（１１、２２、２２．１、１１１、１１１．１、１１１．３）の横断面積が、前記るつぼの横断面積の０．２５％〜１０％である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記誘導コイル（６、１０６）が円筒形であり、前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）の少なくとも一部を前記誘導コイル（６、１０６）の中央平面の上方に位置するようにすることで、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）を前記誘導コイル（６、１０６）内に配置する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記るつぼの壁厚（ｔｈ）が０．５〜３ｍｍであり、前記無線周波数発生器の周波数が５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記溶融検出手段が、高温計（１４）、サーモカップル（１７）、秤量ユニット（１９）及び質量分析計からなる群より選択される少なくとも１つを備え、前記高温計（１４）及び前記サーモカップル（１７）が、前記サーマルシステム（３）の一部分の温度を検出するように構成され、前記秤量ユニット（１９）が、前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）の質量損失を検出するように構成され、前記質量分析計が、前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）の分解生成物を検出する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
融液からバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させる装置であって、該装置が：
成長チャンバ（２）；
無線周波数発生器（７）；
無線周波数発生器（７）に接続され、前記成長チャンバ（２）内に配置された該誘導コイル（６、１０６）；
前記成長チャンバ（２）内の前記誘導コイル（６、１０６）内に配置され、Ｉｎ２Ｏ３の融点付近で０．００５〜０．２ｂａｒの酸素分圧を供給する成長雰囲気（２１）に連通するサーマルシステム（３、１０３）であって、このサーマルシステムが、
ｉ）Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）を収容するための貴金属製のるつぼ（４、１０４）であって、前記誘導コイル（６、１０６）内に配置され、下記式に示す壁厚（ｔｈ）を有し、前記壁厚（ｔｈ）が前記誘導コイル（６、１０６）により貴金属製のるつぼ壁（２４）内に誘導された渦電流の侵入深さより大きくない、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）と、
【数２】
2015515441.tif 000010
（ここで、δは侵入深さ（すなわち表皮厚さ）であり、ｆは発生器周波数であり、μは透過率であり、σは前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の導電率であり、前記発生器周波数おおよそ１ｋＨｚ〜２ＭＨｚである。）
ｉｉ）前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の底部壁及び側壁を囲む、るつぼ断熱材（９、１０９、１０９．１、１０９．２）と、
ｉｉｉ）前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）を頂部から囲み、少なくとも１つの排出通路（１１、１１．１、２２、２２．１、１１１、１１１．１、１１１．３、１１１．４、１１１．５、１１１．６）を有するカバー（１０、１０）であって、前記少なくとも１つの排出通路（１１、１１．１、２２、２２．１、１１１、１１１．１、１１１．３、１１１．４、１１１．５、１１１．６）が前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の内部からＩｎ２Ｏ３のガス状の分解生成物（２７）を除去し、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の内部が前記成長雰囲気（２１）に連通する状態を維持するように構成され、前記少なくとも１つの排出通路の横断面積が前記るつぼの横断面積の３０％を超えない、前記カバー（１０、１０）と
を備える前記サーマルシステム（３、１０３）；及び
Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）の溶融を検出するように構成されている、少なくとも１つの溶融検出手段（１４、１７、１９）
を備える装置。
【請求項１２】
前記サーマルシステム（３、１０３）のカバー（１０、１１０）が蓋（１２、１１２）を備え、該蓋（１２、１１２）が少なくとも１つの排出開口（１１、１１．１、２２、２２．１、１１１、１１１．１、１１１．３）の形の少なくとも１つの排出通路を有し、該少なくとも１つの排出通路が前記貴金属製のるつぼ（４，１０４）からＩｎ２Ｏ３の分解生成物（２７）を除去するためであり、前記排出通路の横断面積が前記るつぼの横断面積の０．２５％〜３０％である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの排出開口（１１、１１．１、２２、２２．１、１１１、１１１．１、１１１．３）の横断面積が０．２５％〜１０％である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記蓋（１２、１１２）の形状が、平面、貴金属製のるつぼ（４、１０４）の内部に向かって凹状又は凸状からなる群より選択される、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記カバー（１０、１１０）の前記少なくとも１つの排出通路が、前記蓋（１２、１１２）内の前記少なくとも１つの開口（１１、１１．１、２２、２２．１、１１１、１１１．１）により形成される、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記カバー（１０、１１０）の前記少なくとも１つの排出通路が、前記蓋（１１２）と前記貴金属製のるつぼ（１０４）の頂部エッジとの間の少なくとも１つの開口（１１１．３）により形成される、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記カバー（１０、１１０）が頂部断熱材（１３、１１３）を更に備え、該頂部断熱材（１３、１１３）が前記蓋（１２、１１２）上に配置され、前記頂部断熱材（１３、１１３）が排出チャネル（１１．１、１１１．４、１１１．５、１１１．６）の形の少なくとも１つの排出通路を有し、該排出チャネル（１１．１、１１１．４、１１１．５、１１１．６）が前記蓋（１２、１１２）内の少なくとも１つの排出開口（１１、１１．１、２２、２２．１、１１１、１１１．１）に連通する、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記カバー（１１０）が貴金属製アフターヒータ（１３１）を更に備え、該貴金属製アフターヒータ（１３１）が前記蓋（１１２）により支持され、該貴金属製アフターヒータ（１３１）が前記頂部断熱材（１１３）により囲まれている、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記るつぼの壁厚（ｔｈ）が０．５ｍｍ〜３ｍｍであり、前記無線周波数発生器の無線周波数が５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記誘導コイル（６、１０６）が円筒形であり、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）が前記誘導コイル（６、１０６）内に配置されることにより、前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）の少なくとも一部が前記誘導コイル（６、１０６）の中央平面の上方に位置する、請求項１１に記載の装置。
【請求項２１】
前記誘導コイル（１０６）の底部が円錐形である、請求項１１に記載の装置。
【請求項２２】
前記誘導コイル（１０６）の底部が少なくとも１つの追加のコイル巻き（１０６．２）を有する、請求項１１、２０又は２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の形状が、円筒形、少なくとも部分的に円錐形、底部が丸味を帯びている形状、樽状、台形からなる群より選択される、請求項１１に記載の装置。
【請求項２４】
前記溶融検出手段が、高温計（１４）、サーモカップル（１７）、秤量ユニット（１９）及び質量分析計からなる群より選択される少なくとも１つのものを備え、前記高温計（１４）及び前記サーモカップル（１７）が前記サーマルシステム（３）の一部分の温度を検出するように構成され、前記秤量ユニット（１９）が前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）の質量損失を検出するように構成され、前記質量分析計が前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）の分解生成物を検出する働きをする、請求項１１に記載の装置。
【請求項２５】
バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶であって、該バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶が請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法で融液から得られ、前記バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶がホール効果で測定した０．０１〜０．０３Ωｃｍの電気抵抗率と１〜５×１０１８ｃｍ−３の自由電子濃度とを有する、バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶。
【請求項２６】
バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶であって、該バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶が請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法で融液から得られ、前記バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒからなる群から選択された１つ以上の強磁性元素により意図的にドープされ、ドーパントが１０−６ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％の濃度で前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）に加えられる、バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶。
【請求項２７】
バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶であって、該バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶が請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法で融液から得られ、前記バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶が０．２５ｈ〜３００ｈの時間に亘り４００℃〜１４００℃の温度で非還元雰囲気中で第１の熱処理にかけられると、ホール効果で測定した０．０２〜５Ωｃｍの電気抵抗率と０．２〜２０×１０１７ｃｍ−３の自由電子濃度とを有する、バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶。
【請求項２８】
前記バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶が、０．２５ｈ〜１００ｈの時間に亘り２００℃〜１２００℃の温度で非還元雰囲気中で第２の熱処理にかけられると、ホール効果で測定した０．０５〜０．０３Ωｃｍの電気抵抗率と１０１８〜１０１９ｃｍ−３の自由電子濃度とを有する、請求項２７に記載のバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶。
【請求項２９】
ホモエピタキシー及びへテロエピタキシーのための基板として使用される、請求項２５〜２８のいずれか一項に記載のバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の使用。
【請求項３０】
へテロエピタキシーは、溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の基板上に配置されたＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＣａＮ及びＡｌＩｎＮを含む、請求項２９に記載のバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インジウム酸化物（Ｉｎ２Ｏ３）単結晶を成長させる方法及び装置、前記成長法により得られるインジウム酸化物（Ｉｎ２Ｏ３）単結晶並びに前記インジウム酸化物（Ｉｎ２Ｏ３）単結晶の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化物単結晶は、例えば、レーザ、非線形光学装置、シンチレーター、圧電素子、透明半導体、透明導体、超伝導体等の多数の電子用途及び圧電用途のための重要な材料である。このような用途のうちの多数の、すなわち大部分に対してバルク単結晶が必要である。バルク単結晶から電子構成要素又は圧電構成要素を作ることができ、薄膜堆積のための基板を作ることができる。酸化物は、約８００℃〜３０００℃の広範囲の融点、異なる熱力学的挙動並びに異なる熱特性及び物理特性を有するので、バルク単結晶を得るための多数の成長技術が開発された。このような成長技術は、（ｉ）液相（融液）からの結晶化を利用する方法と、（ｉｉ）蒸気相からの結晶化を利用する方法と、（ｉｉｉ）溶液からの結晶化を利用する方法とに大別されている。
【０００３】
群（ｉ）は、チョクラルスキー法、垂直ブリッジマン法及び水平ブリッジマン法、キロポーラス法、熱交換器法（ＨＥＭ）、ベルヌーイ法、スカル溶解（コールドクルーシブル）法、光学式浮遊帯域法（ＯＦＺ）、エッジ定義フィルム給電成長法（ＥＦＧ）、マイクロプリングダウン法、レーザ加熱ペデスタル成長法（ＬＨＰＧ）、並びにこれらの技術の改変を含んでいる。また、溶融結晶成長技術は、金属るつぼ（チョクラルスキー法、ブリッジマン法、キロポーラス法、ＨＥＭ、ＥＦＧ、及びマイクロプリングダウン法）を使用する方法と、金属るつぼを使用しない方法（ベルヌーイ法、スカル溶解法、ＯＦＺ、ＬＨＰＧ）とに大別されている。本発明は、特に、金属るつぼを使用する群（ｉ）に分類されるであろう、新規な方法に関するものである。
【０００４】
群（ｉｉ）は、化学蒸気輸送（ＣＶＴ）、物理蒸気輸送（ＰＶＴ）及びそれらの改変を含んでいる。また、群（ｉｉｉ）は、フラックス法、熱水法、トップシード溶液成長法（ＴＳＳＧ）を含んでいる。
【０００５】
多数の薄膜又は薄層技術もあり、それらは薄膜又は薄層を堆積する基板を必要とする。このような技術の例は、噴霧熱分解及び加水分解、ゾルーゲル、スパッタリング、電子ビーム蒸着、パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）等を含んでいる。
【０００６】
酸化物は、典型的には、電気絶縁体であるが、一旦結晶状態となると半導体挙動又は導体挙動を示す酸化物の群が存在している。酸化物は、通常は（２ｅＶより大きい）広い光学バンドギャップを有するため、古典的半導体とは逆に可視光に対して透明でもある。このような物質は、透明導体又は半導体酸化物（ＴＣＯ又はＴＳＯ）として知られている。このようなＴＣＯ及びＴＳＯは、ガリウム酸化物（β−Ｇａ２Ｏ３）、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）、スズ酸化物（ＳｎＯ２）、インジウム酸化物（Ｉｎ２Ｏ３）及びいくつかのその他の物質、例えばカドミウム酸化物（ＣｄＯ）、ニッケル酸化物（ＮｉＯ）及び銅酸化物（ＣｕＯ）などを含んでいる。ＴＣＯ及びＴＳＯは、両方とも、深い紫外線領域（ＤＵＶ）に至るまで透明性を示し、更に半導体挙動及び導体挙動を示す。このため、両者は広範囲の電子用途及び特に圧電用途で使用されてきたか、又は使用されることが可能である。このような用途としては、例えば、太陽電池及びフラットパネルディスプレイのための透明電極、エネルギー効率の良い窓、ＭＩＳＦＥＴ及びＭＥＳＦＥＴなどの透明薄膜トランジスタ、ショットキダイオード、発光ダイオード並びにガスセンサなどがある。
【０００７】
ＳｎによりドープされたＩｎ２Ｏ３（いわゆるＩＴＯ）は、重要な工業材料であり、太陽電池及びフラットパネルディスプレイのための透明電極としてアモルファス層の形で広く使用されている。純粋の（すなわちドープされない）Ｉｎ２Ｏ３は、ＴＣＯ及びＴＳＯに、典型的な全てのその他用途で潜在的に使用することができる。
【０００８】
非常に小さい単結晶の形のＩｎ２Ｏ３は、５０年以上に亘って知られている。Ｉｎ２Ｏ３の第１の単結晶は、フラックス法（Ｊ．Ｐ．Ｒｅｍｅｉｋａ，Ｇ．Ｓｐｅｎｃｅｒ；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５，１９６４，ｐ  ２８０３）により成長され、後に蒸気相（Ｊ．Ｈ．Ｗ．Ｄｅ．Ｗｉｔ；Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ  １２，１９７２，ｐ．１８３）及び電気分解（Ｎ．Ｉｍａｎａｋら；Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ  ２６４，２００４，ｐ．１３４）で成長される。各々の場合にて、結晶は非常に寸法が小さく（針状結晶又は非常に小さいプレート）、如何なる実用的な用途にも不十分であり、溶剤又は化学剤により汚染されてもいる。
【０００９】
層の成長技術も、純粋なＩｎ２Ｏ３に適用されている。その結果、得られるＩｎ２Ｏ３膜は、アモルファス又は結晶状であった。
【００１０】
真にバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶は、今まで得られなかった。バルク単結晶がないので、Ｉｎ２Ｏ３の上述の用途が制限され、大きい単結晶内のその電気特性は、いまだに解明されていないままである。バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を融液から成長させられなかった理由は、高い温度でその化合物は化学的に不安定だからである。すなわちＩｎ２Ｏ３は、約１９５０℃の融点のはるかに低い約１０００℃より僅かに大きい温度にて、分解し始める。Ｉｎ２Ｏ３を安定化するために、成長チャンバ内の酸素分圧は、高く（１ｂａｒより大きく）なければならない。しかしながら、これは、るつぼ材料としてイリジウムを使用するための最大許容レベル（約０．０２ｂａｒ）と相容れない。その他の高溶融耐火性るつぼ（Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ）では、酸素は許容されない。一般に、従来の溶融成長技術を使用してイリジウムるつぼ内で溶融を生じさてＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させることは不可能である。実際、化学及び技術文献には、上述の技術のいずれかにより融液から成長させたバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶に関する報告は、存在しない。
【００１１】
したがって、上述のＩｎ２Ｏ３用途の全てでない大部分について、薄膜又は薄層に基づき、Ｉｎ２Ｏ３単結晶が、電子装置のための自立」構成要素(“self-standing” components)として又はホモエピタキシー及びへテロエピタキシーのための基板として働く用途領域は、いまだに解明されていない。例えば、Ｉｎ２Ｏ３のエピタキシーは、例えばＹ安定化ＺｒＯ２などの別の結晶から作られた基板上で行われている。このようなヘテロエピタキシーは、Ｉｎ２Ｏ３の（例えば転位、粒界などの）結晶完全性を減少させる。これは、最終装置性能及び寿命に大きな影響を与えることであろう。バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶及びその基板が使用可能になると、特に工業規模でのその用途範囲を広げ、最終装置特性及びそれらの寿命を改善することができるであろう。
【発明の概要】
【００１２】
本発明は、十分に大きいＩｎ２Ｏ３単結晶であって、このような多結晶から異なる用途のための素子及び基板を作ることができるＩｎ２Ｏ３単結晶の生成を可能にする、融液からバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させる新規な方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明の別の目的は、融液からバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させる前記方法を使用するための特別な設計の装置を提供することにある。
【００１４】
更に、本発明の別の目的は、例えば発光ダイオード、ショットキダイオード、透明トランジスタ、透明電極等の異なる用途のための素子及び基板を作るのに適し、様々な用途の特定の要件を満たすために比較的に広範囲で変更できる電気特性及び光学特性を有する、高品質で大寸法の真にバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を提供することにある。
【００１５】
本発明の第１の態様によれば、バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を設置する方法が提供され、前記方法は、以下のステップｉ）〜ｘｉ）を少なくとも含む。
ｉ）成長チャンバ（２）内にサーマルシステム（３、１０３）を設けるステップであって、前記サーマルシステム（３、１０３）が、初めに非導電性のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）を含む貴金属製のるつぼ（４、１０４）と、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の底部及び側面を囲む、るつぼ断熱材（９）と、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の周囲に配置して、無線周波数（ＲＦ）発生器（７）に接続する誘導コイル（６、１０６）とを備えており、前記るつぼの壁厚（ｔｈ）を、下記式に示すように、前記誘導コイルにより貴金属製のるつぼ壁（２４）内に誘導された渦電流の侵入深さより大きくしないステップ
【数１】
2015515441.tif 000003
（ここで、δは侵入深さ（すなわち表皮厚さ）、ｆは発生器周波数、μは透過率、σは前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の導電率であり、前記発生器周波数は、およそ１ｋＨｚ〜２ＭＨｚである）；
ｉｉ）前記サーマルシステム（３、１０３）のカバー（１０、１１０）により、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）を閉じるステップであって、前記サーマルシステム（３、１０３）が、少なくとも１つの蓋（１２、１１２）と、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の内部からＩｎ２Ｏ３のガス状の分解生成物（２７）を除去し、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の内部を成長雰囲気（２１）に連通させて維持する、少なくとも１つの排出通路（１１、１１．１、２２、２２．１、１１１、１１１．１、１１１．３、１１１．４、１１１．５、１１１．６）とを備える、ステップ；
ｉｉｉ）少なくとも前記サーマルシステム（３、１０３）内に前記成長雰囲気（２１）を導入するステップであって、前記成長雰囲気（２１）が、Ｉｎ２Ｏ３の融点付近にて０．００５〜０．２ｂａｒの間で酸素分圧を供給するステップ；
ｉｖ）前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）からの熱伝導及び熱放射により前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）を加熱するステップであって、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）を前記誘導コイル（６）により誘導加熱するステップ；
ｖ）少なくとも前記サーマルシステム（３、１０３）の内側で酸素分圧を維持するステップであって、前記酸素分圧がＩｎ２Ｏ３の分解を回避ためするには不十分であり、したがって前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）を加熱する間に前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）の分解を制御し、その際の温度上昇と共に前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）の導電率を増加するステップ；
ｖｉ）前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の壁（２４）を介して、前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）内に渦電流を誘導するステップであって、前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）を、その融点付近で導電性とするステップ；
ｖｉｉ）伝導加熱、放射加熱及び電気加熱の組み合わせにより前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）を溶融するステップであって、前記電気加熱が、前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）内に直接に誘導された渦電流に起因するステップ；
ｖｉｉｉ）前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）の少なくとも一部（２３．１）を電磁浮上させると同時に、前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）の首部（２６）を形成するステップであって、前記首部（２６）が、融液の浮上頂部（２３．１）から前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）の底部（２３．２）に向かって延びるか、又は、前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）が浮上している場合には、前記るつぼ底部に向かって延びるステップ；
ｉｘ）少なくとも１つの溶融検出手段（１４、１７、１９）によって、前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）の融点を監視及び検出するステップ；
ｘ）前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）を含む貴金属製のるつぼ（４、１０４）を室温まで冷却するステップ；及び
ｘｉ）前記冷却の間に、液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）を凝固させると同時に、前記液状のＩｎ２Ｏ３出発物質（２３）の浮上部分及び非浮上部分から１つ以上のバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶（２８．１、２８．２）を形成するステップであって、前記浮上部分及び非浮上部分を、種として機能する前記液状の首部（２６）の頂部側及び底部側にて凝固させるか、又は、全ての液状のＩｎ２Ｏ３出発物質が浮上している場合には、前記液状の首部（２６）の頂部側で凝固させるステップ。
【００１６】
本発明の結晶成長法は、誘導加熱される貴金属製のるつぼ内のＩｎ２Ｏ３融液の浮上に基づいている。このような浮上の間、首部が形成される。首部はＩｎ２Ｏ３の液相の種として機能し、結晶方位[１００]、[０１０]、[００１]又は[１１１]を有する単結晶の形でＩｎ２Ｏ３融液を凝固させる。この浮上は、温度上昇と共にＩｎ２Ｏ３が制御されて分解し、Ｉｎ２Ｏ３出発物質が、その融点付近で非導電性から導電性物質に転換し、導電性が、貴金属製のるつぼの壁を介して誘導コイルと電磁結合するのに十分であるため、可能である。ここで生じる重要な現象に基づき、我々は、この新規な方法を「浮上支援自己種形成結晶成長法(“Levitation-Assisted Self-Seeding Crystal Growth Method”)」と名付けた。
【００１７】
以下に列挙する用語は、より明確とするために、以下に記載の定義と異なる定義を記載しないかぎり、本明細書の説明において以下に記載の定義のように理解される。
バルク単結晶は、３次元空間の３つ全ての方向にて同様の寸法を有する単結晶対象物を意味している。各々は、約２ｍｍより大きい（典型的には少なくとも数ミリメートルである）。これは、バルク単結晶を、結晶膜又は結晶層又は非常に薄いプレートから区別するためであり、これらの結晶の１方向の寸法は他の２方向の寸法より大幅に小さく、更にひげ結晶又は針状結晶からも区別するためである。これらの結晶の２方向の寸法は、第３の方向の寸法より比較的小さい。
溶融成長単結晶、すなわち融液から作られた単結晶は、気相・蒸気相又はフラックスからではなく、融液から直接に凝固された単結晶を意味している。
非導電性物質は、室温にて１０−２Ωｃｍを超えない抵抗率を有する電気絶縁性又は半導体性の物質を意味している。これは、このような物質を、典型的には室温で１０−４〜１０−６Ωｃｍの電気抵抗率を有する、例えば金属等の典型的な導体から区別するためである。
【００１８】
好ましくは、溶融ステップと冷却ステップとの間に、Ｉｎ２Ｏ３が分解してその導電率が増加するように所定の時間に亘り前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質を液相に保持するステップを更に備えている。更に、本方法は、任意選択的に、Ｉｎ２Ｏ３が分解してその導電率が増加するように、検出された融点に対して最大５％だけ液相で前記Ｉｎ２Ｏ３出発物質を過熱するステップを更に備えている。
【００１９】
好ましくは、成長雰囲気が酸素を提供し、酸素分圧が、室温から１９５０〜２１００℃の範囲内の温度に上昇するにつれて約０ｂａｒから約０．１ｂａｒ好ましくは約０ｂａｒから約０．０４ｂａｒまで変化する。本発明の好ましい形態では、成長雰囲気は、０．１〜１０ｂａｒの圧力の二酸化炭素（ＣＯ２）を含んでいる。二酸化炭素は、単独でも希ガス又は窒素及び／又は酸素と混合しても使用することができる。
【００２０】
Ｉｎ２Ｏ３液相からＩｎ２Ｏ３液相の凝固点への前記貴金属製のるつぼの冷却速度は、好ましくは５０Ｋ／ｈ〜２０００Ｋ／ｈである。
【００２１】
１つの好ましい形態では、サーマルシステムのカバーは、蓋を備えている。蓋は、少なくとも１つの排出開口の形の少なくとも１つの排出通路を有し、また、少なくとも１つの排出通路は、貴金属製のるつぼからＩｎ２Ｏ３のガス状の分解生成物を除去する働きをする。排出開口の横断面積は、るつぼの横断面積の０．２５％〜３０％であり、より好ましくは、るつぼの横断面積の０．２５％〜１０％である、
【００２２】
１つの好ましい形態では、誘導コイルは円筒形であり、貴金属製のるつぼを誘導コイル内に配置するようにすることで、液状のＩｎ２Ｏ３出発物質の少なくとも一部を前記誘導コイルの中央平面の上方に配置する。
【００２３】
１つの好ましい形態では、るつぼの壁厚（ｔｈ）が０．５〜３ｍｍであり、無線周波数発生器の周波数が５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである。
【００２４】
好ましくは、溶融検出手段が、高温計、サーモカップル、秤量ユニット及び質量分析計からなる群より選択される少なくとも１つのものを備え、高温計及びサーモカップルは、サーマルシステムの一部分の温度を検出するように構成され、前記秤量ユニットは、Ｉｎ２Ｏ３出発物質の質量損失を検出するように構成され、質量分析計は、Ｉｎ２Ｏ３出発物質の分解生成物を検出する働きをしている。
【００２５】
本発明の第２の態様によれば、融液からバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させる装置が提供される。このような装置は：
成長チャンバ（２）；
無線周波数発生器（７）；
無線周波数発生器（７）に接続され、前記成長チャンバ（２）内に配置された該誘導コイル（６、１０６）；
前記成長チャンバ（２）内の前記誘導コイル（６、１０６）内に配置され、Ｉｎ２Ｏ３の融点付近で０．００５〜０．２ｂａｒの酸素分圧を供給する成長雰囲気（２１）に連通する該サーマルシステム（３、１０３）であって、
ｉ）Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）を収容するための貴金属製のるつぼ（４、１０４）であって、前記誘導コイル（６、１０６）内に配置され、下記式に示す壁厚（ｔｈ）を有し、前記壁厚（ｔｈ）が前記誘導コイル（６、１０６）により貴金属製のるつぼ壁（２４）内に誘導された渦電流の侵入深さより大きくない、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）と、
【数２】
2015515441.tif 000004
（ここで、δは侵入深さ（すなわち表皮厚さ）、ｆは発生器周波数、μは透過率、σは前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の導電率であり、前記発生器周波数おおよそ１ｋＨｚ〜２ＭＨｚである。）
ｉｉ）前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の底部壁及び側壁を囲む、るつぼ断熱材（９、１０９、１０９．１、１０９．２）と、
ｉｉｉ）前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）を頂部から囲み、少なくとも１つの排出通路（１１、１１．１、２２、２２．１、１１１、１１１．１、１１１．３、１１１．４、１１１．５、１１１．６）を有するカバー（１０、１０）であって、前記少なくとも１つの排出通路（１１、１１．１、２２、２２．１、１１１、１１１．１、１１１．３、１１１．４、１１１．５、１１１．６）が前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の内部からＩｎ２Ｏ３のガス状の分解生成物（２７）を除去し、前記貴金属製のるつぼ（４、１０４）の内部が前記成長雰囲気（２１）に連通する状態を維持するように構成され、前記少なくとも１つの排出通路の横断面積が前記るつぼの横断面積の３０％を超えない、前記カバー（１０、１０）と
を備える前記サーマルシステム（３、１０３）；及び
Ｉｎ２Ｏ３出発物質（２３）の溶融を検出するように構成されている、少なくとも１つの溶融検出手段（１４、１７、１９）を備えている。
【００２６】
本発明に係る成長装置のこのような構成は、本発明に係る結晶成長法を行うことを可能としている。このような成長装置の重要な点は、発生器周波数と貴金属製のるつぼの壁厚との間の関係及び頂部の絶縁(top insulation)にある。この関係及び頂部の絶縁を最適化することにより、貴金属製のるつぼ内の非常に低い温度勾配を保証することができる。これにより、Ｉｎ２Ｏ３出発物質を完全に溶融できる。それと同時に、Ｉｎ２Ｏ３のガス状の分解生成物を除去できる。その結果、るつぼ内の内圧上昇に起因する潜在的な爆発を回避することができる。
【００２７】
好ましくは、サーマルシステムのカバーは、蓋を備えている。蓋は、少なくとも１つの排出開口の形の少なくとも１つの排出通路を有している。少なくとも１つの排出通路は、貴金属製のるつぼからＩｎ２Ｏ３の分解生成物を除去するためのものである。排出通路の横断面積は、るつぼの横断面積の０．２５％〜３０％であり、好ましくは０．２５％〜１０％である。
【００２８】
サーマルシステムの蓋の形状は、平面状、貴金属製のるつぼの内部に向かって凹状又は凸状とすることができる。
【００２９】
好ましくは、カバーの少なくとも１つの排出通路は、蓋内の少なくとも１つの開口により、形成されている。蓋内の前記少なくとも１つの排出開口は、スロットの形の、例えば円形、楕円形、多角形等の異なる形状を有している。開口は、任意の方法にて蓋上に配置することができる。開口は、蓋の中央部、周辺、中央部と周辺との間、又はそれらの任意の組み合わせの位置に配置することができる。蓋うちの少なくとも１つの開口に対して、代替的に又は任意選択的に、カバーの少なくとも１つの排出通路は、蓋と貴金属製のるつぼの頂部エッジとの間の少なくとも１つの開口により形成される。
【００３０】
１つの好ましい装置の形態では、カバーは、頂部断熱材を更に備え、頂部断熱材は、蓋上に配置されている。この形態では、頂部断熱材は、排出チャネルの形の少なくとも１つの排出通路を有し、排出チャネルは、蓋内及び／又は蓋と貴金属製のるつぼの頂部エッジとの間の少なくとも１つの排出開口に連通している。頂部断熱材の前記少なくとも１つの排出チャネルは、水平、垂直、傾斜、直線、曲線、又はそれらの組み合わせとすることができる。
【００３１】
１つの別の装置の形態では、カバーは、貴金属製アフターヒータを更に備えている。貴金属製アフターヒータは、蓋により支持され、頂部断熱材により囲まれている。
【００３２】
好ましくは、るつぼの壁厚（ｔｈ）は、０．５ｍｍ〜３ｍｍであり、無線周波数発生器の無線周波数は、５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである。
【００３３】
好ましくは、誘導コイルは円筒形であり、貴金属製のるつぼが誘導コイル内に配置されることで、液状のＩｎ２Ｏ３出発物質の少なくとも一部が前記誘導コイルの中央平面の上方に位置する。また、代替的に、誘導コイルの底部が円錐形であったり、且つ／又は、浮上力を増加させるために誘導コイルの底部が少なくとも１つの追加のコイル巻きを有したりする。誘導コイルは、例えば３、４、５、６又はそれより大きい数などの巻き数を有することができる。各個別のコイル巻きの横断面は、円形、楕円形又は方形とすることができる。更に、貴金属製のるつぼの形状は、円筒形、少なくとも部分的に円錐形、底部が丸味を帯びている形状、樽状又は台形とすることができる。
【００３４】
好ましくは、溶融検出手段は、高温計、サーモカップル、秤量ユニット及び質量分析計からなる群より選択される少なくとも１つのものを備えている。高温計及びサーモカップルは、サーマルシステムの一部分の温度を検出するように構成され、秤量ユニットは、Ｉｎ２Ｏ３出発物質の質量損失を検出するように構成され、質量分析計は、Ｉｎ２Ｏ３出発物質の分解生成物を検出する働きをする。
【００３５】
本発明の第３の態様によれば、上述の結晶成長法により得られたバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を提供する。成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶は、ホール効果で測定した０．０１〜０．０３Ωｃｍの電気抵抗率と、１〜５×１０１８ｃｍ−３の自由電子濃度とを有している。
【００３６】
本発明の第４の態様では、本発明の上述の結晶成長法により得られたバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を提供する。バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒからなる群より選択された１つ以上の強磁性元素により、意図的にドープされる。ドーパントは、１０−６ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％の濃度でＩｎ２Ｏ３出発物質に加えられる。
【００３７】
本発明の第５態様では、本発明の上述の結晶成長法により得られたバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を提供する。バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶は、０．２５ｈ〜３００ｈの時間に亘り４００℃〜１４００℃の温度下で、且つ、非還元雰囲気中で第１の熱処理にかけられると、ホール効果で測定した０．０２〜５Ωｃｍの電気抵抗率と、０．２〜２０×１０１７ｃｍ−３の自由電子濃度とを有している。このようにして、バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の電気抵抗率は、成長した多結晶に比べて、大幅に増加する（すなわち電子濃度が減少する）。
【００３８】
第１の熱処理に加えて、バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を、０．２５ｈ〜１００ｈの時間に亘って２００℃〜１２００℃の温度下、且つ、非還元雰囲気中で第２の熱処理にかけることができる。これにより、ホール効果で測定した０．０５〜０．０３Ωｃｍの電気抵抗率と、１０１８〜１０１９ｃｍ−３の自由電子濃度とを有するバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶が得られる。このような熱処理により、意図的なドーピングなしの成長した単結晶と比べて、バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の電気抵抗率が大幅に小さくなる（すなわち電子濃度が高くなる）。
【００３９】
本発明の第６の態様では、意図的にドープされない又はされたバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を、ホモエピタキシー及びへテロエピタキシーのための基板として使用することができる。へテロエピタキシーの場合、Ｉｎ２Ｏ３基板上にＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＣａＮ及びＡｌＩｎＮを配置することができる。
【００４０】
上述した方法及び装置によれば、融液から真にバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を生成することができる。これは数十年に亘り、如何なる従来技術によっても達成できなかったことである。得られたＩｎ２Ｏ３単結晶は、ホモエピタキシー及びへテロエピタキシー目的のための基板を作るのに十分に大きい。更に、融液から得られたＩｎ２Ｏ３単結晶の光学特性及び電気特性は、成長後熱処理プロセスにより容易に変更することができる。例えば、導電率は、１０００倍の範囲内で設定することができる。更に、溶融成長のＩｎ２Ｏ３単結晶の付加的特性は、要件に依存して異なるイオンを意図的にドープすることにより、更に得るか又は高めることができる。
【００４１】
また、真にバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を得ることができるだけでなく、本発明に係る方法によれば、貴金属製のるつぼの寿命が長いこととプロセス時間が大幅に短いことに起因して、融液から酸化物結晶を成長させるその他の方法と比べて、コスト効率が非常に良い。
【００４２】
更に、本発明に係る方法及び装置の別の利点は、融液からＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させるための成長ステーションが簡単になっていることである。成長ステーションは、るつぼのための及び結晶のための、如何なる引張り及び回転機構も必要としていない。したがって、このような成長ステーションの寸法及びコストを節約することができる。成長ステーションは、サーマルシステムのための成長チャンバ、無線周波数発生器及び発生器電力を調整するための簡単な制御器のみしか必要としない。
【００４３】
更にまた、本結晶成長法、本装置及び真にバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の更なる利点及びその他の特徴が、図面を参照しての実施形態及び実施例の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本発明に係る融液から真にバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させる方法を実行する装置の部分断面概略図である。
【図２】図２Ａ〜図２Ｅは、本発明の原理を示し、加熱、溶融及び結晶化の異なる段階のＩｎ２Ｏ３出発物質と共に示す、るつぼの断面図である。
【図３】図３は、本発明の教示に係るＩｎ２Ｏ３出発物質の融点付近でのＩｎ２Ｏ３出発物質の加熱、溶融及び冷却の間の、時間に対する温度測定値のプロット図である。
【図４】図４Ａ〜図４Ｄは、本発明に係るサーマルシステムの異なる形態の垂直横断面図である。
【図５】図５Ａ〜図５Ｄは、本発明に係る異なる形態の蓋を有するるつぼの垂直横断面である。図５Ｅは、更に別の形態の蓋を有するるつぼの側面図である。
【図６】図６Ａ〜図６Ｅは、本発明に係る異なる形態のるつぼの垂直横断面図である。
【図７】図７Ａ〜図７Ｅは、本発明に係る異なる形態の誘導コイルの垂直横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
融液から真にバルク状のインジウム酸化物（Ｉｎ２Ｏ３）単結晶を成長させる本発明に係る方法について、図１に概略的に示される装置を参照して説明する。装置１は、成長チャンバ２を備え、成長チャンバ２内にはサーマルシステム３が配置されている。サーマルシステム３は、イリジウム又はその合金などの貴金属製のるつぼを有し、サーマルシステム３は、サポート５上で支持されている。当技術分野では、サーマルシステムは炉(furnace)とも呼ばれる。サーマルシステム３の周囲には、無線周波数誘導コイル６（ＲＦコイル）が配置され、無線周波数誘導コイルは、無線周波数（ＲＦ）発生器７に接続され、無線周波数発生器７は、制御ユニット８により制御されている。溶融するＩｎ２Ｏ３出発物質２３は、るつぼ４内に置かれている。
【００４６】
成長チャンバ２は、サーマルシステム３の寸法に依存して、任意の適切な寸法とすることができる。好ましくは、成長チャンバ２は、ステンレススチール材料から成り、成長チャンバ３は、水冷される。アルミニウム等の別の材料も、成長チャンバ２に使用することができる。後述するサーマルシステム３は、貴金属製のるつぼ４を含み、るつぼの断熱材９は、るつぼの底部及び側壁を囲み、カバー１０は、るつぼの頂部から下方へ向かってつぼ４を囲んでいる。カバー１０には、排出通路１１、１１．１が設けられ、排出通路１１、１１．１は、るつぼ４の内部に連通している。排出通路１１、１１．１は、Ｉｎ２Ｏ３のガス状の分解生成物を排出する働きをする。るつぼの断熱材９は、例えばアルミナ及び／又はジルコニア及び／またマグネシアなどの耐火材料を含んでいる。このような絶縁体は、典型的には、（１８００℃より高い）高融点の酸化物を成長させるのに使用されるサーマルシステムにて使用される。カバー１０は、後述するように、イリジウム又はその合金などの貴金属材料からなることもあり、非金属耐火材料からなることもある。以降、カバー１０は、イリジウム又はその合金などの貴金属材料からなるものとする。サーマルシステム３は、支持体４上に配置され、支持体５は、好ましくはアルミナ等の断熱材からなる。後述する誘導コイル６の巻数は、３、４、５、６又はそれより大きい。誘導コイル６の形状は、円筒形又は円錐形とすることもできる。誘導コイル６の個々の巻きの各々の断面は、円形、楕円形、正方形又は長方形とすることもできる。無線周波数発生器７は、約１ｋＨｚ〜約２ｋＨｚの動作周波数を有し、例えば５〜５０ｋＷ等の適切な体積のＩｎ２Ｏ３出発物質を溶融するのに適切な電力を有している。この適切な体積は、るつぼの寸法に依存している。制御ユニット８は、計算装置を含むこともでき、計算装置は、誘導コイル６に交流を提供する発生器７を制御している。
【００４７】
装置１は、少なくとも１つの溶融検出手段を更に備えている。溶融検出手段は、貴金属製のるつぼ４内で行われるＩｎ２Ｏ３の溶融プロセスを検出することができる。このような手段は、必要である。何故ならば、動作中のるつぼ４の内部は覗けないため、Ｉｎ２Ｏ３の溶融の視覚的な検出はできないからである。本形態では、溶融検出手段は、高温計１４を備え、高温計は、高温計ディスプレイユニット１５に接続されている。これにより、サーマルシステム３のある特定の監視点の温度を好ましくは連続的に測定することができる。この目的のために、成長チャンバ２は、目視窓１６を備え、目視窓１６は、可視光及び赤外線に対して透明である。監視点は、炉の一部分に位置することができ、好ましくは、監視点は、るつぼ壁上に位置するか、又は、るつぼ４をカバーする蓋１２上に位置している。本形態では、るつぼ４又は蓋１２における監視する部分は、露出されなければならない。高温計１４は、高温、すなわち２２０℃以上までの温度を測定可能な任意のタイプの高温計でよい。また、２つ以上の高温計を使用して、サーマルシステム３の異なる箇所の温度を監視することもできる。
【００４８】
本発明に係る別の形態では、溶融検出手段は、サーモカップル１７を備えている。サーモカップル１７は、サーモカップルディスプレイユニット１８に接続され、サーマルシステム３のある特定の監視点の温度を好ましくは連続的に測定する。るつぼ４の動作温度が高いため、最も適切なサーモカップルは、Ｂタイプである。サーモカップル１７は、前述のように、サーマルシステムの任意の適切な点の温度を測定することができる。
【００４９】
本発明に係る別の形態では、溶融検出手段は、秤量ユニット１９を備えている。秤量ユニット１９は、重量ディスプレイユニット２０に接続され、Ｉｎ２Ｏ３の分解に起因するサーマルシステム３からの質量損失を監視する。このような検出手段は、高い正確性を有することはないものの（分解生成物は、なおもサーマルシステム３内に堆積している）、Ｉｎ２Ｏ３の溶融は、この方法により、非常に良好に推定できる。何故ならば、質量損失は、溶融すると分解速度が大幅に高くなるために、大幅に増加するからである。
【００５０】
本発明の最も好ましい形態では、本装置は、２つ又は３つの溶融検出手段を有している。Ｉｎ２Ｏ３出発物質が溶融すると生じる分解種（例えば、インジウム及び酸素）の濃度増加を検出する、例えば質量分析計等のその他の溶融検出手段を使用することもできる。
【００５１】
Ｉｎ２Ｏ３単結晶の成長は、溶融するＩｎ２Ｏ３出発物質に連通するサーマルシステム３又は成長チャンバ２内の適切な成長（又は保護）雰囲気を必要とする。この雰囲気２１については、後述する。成長雰囲気２１は、成長プロセスの間に亘り成長チャンバ２を連続的に貫流することも、又は、成長チャンバ２内に閉じ込めて成長チャンバ２からの流出も成長チャンバ２への流入もできないようにすることもできる。更にまた、任意の適切な圧力を、成長チャンバ２に加えることができる。この任意の適切な圧力とは、例えば、０．１〜１００ｂａｒ等の過圧力又は不足圧力のことである。また代替的に、成長雰囲気２１は、直接的にサーマルシステム３に注入したり、サーマルシステム３から取り出したりすることもできる。このような形態では、サーマルシステム３は、気密であり、成長チャンバ３内の雰囲気から隔離されており、この雰囲気は、保護作用又は冷却作用を行うだけである。
【００５２】
続いて、融液からバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させる本発明に係る方法を、図１、図２Ａ〜２Ｅ、及び図３を参照して説明する。図１は、成長装置を示し、図２Ａ〜２Ｅは、見やすいように、貴金属製のるつぼ４、開口２２、２２．１の形の排出通路を有する蓋１２、誘導コイル６及びＩｎ２Ｏ３出発物質２３のみを示している。また、図３は、溶融前、溶融中及び冷却の初期段階での温度測定の値を示している。
【００５３】
先ず、好ましくはイリジウム又はイリジウム合金からなる貴金属製のるつぼ４を、るつぼの断熱材９に入れる。次いで、Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３を、るつぼ４に入れる。るつぼ４は、蓋１２及び上部のるつぼ断熱材１３によりカバーされている。次いで、準備されたサーマルシステム３を、貴金属製のるつぼ６に入れる。Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３をるつぼ４に入れるのは、るつぼの断熱材９に貴金属製のるつぼを入れる前に行う。サーマルシステム３を準備する順序は、異なってもよく、この順序は、本開示内容の本質とならない。続いて、成長チャンバ２を閉じ、成長チャンバ２内に真空をポンピングして残留ガスを除去する。次いで、成長雰囲気２１を、成長チャンバ２に導入する。成長チャンバ２は、全プロセス時間に亘り、貴金属製のるつぼ４内のＩｎ２Ｏ３出発物質２３に連通している。成長雰囲気２１は、成長チャンバ２内に閉じ込められているか、又は、１〜２００ｌ／ｈの流速にて成長チャンバ２を貫流している。
【００５４】
このように準備されたサーマルシステム３（図１、２Ａ）を、無線周波数発生器７により加熱する。無線周波数発生器７は、誘導コイル６内に交流を発生させる。発生した交流は、電磁場を発生させ、電磁場は、るつぼ側壁２４内に渦電流を誘導する。るつぼ側壁２４内の渦電流が発生するジュール熱は、貴金属製のるつぼ４を加熱する。加熱により高温となったるつぼ４は、熱伝導又は熱放射によりるつぼ４内のＩｎ２Ｏ３出発物質２３を加熱する。温度が上昇すると、Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３は化学的に不安定となり、分解し始める。分解し始める温度は、適用する成長雰囲気に依存して、１０００℃程度である。主な分解生成物は、インジウム（Ｉｎ）及び酸素（Ｏ）を含んでいる。インジウムは、高い蒸気圧を有し、したがって、その一部は、酸素と共にガス状となってＩｎ２Ｏ３出発物質２３から逃れる。しかしながら、インジウムの小部分(small portion)は、金属インジウムの小量の余剰として、Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３内に残存する。温度の上昇と共にＩｎ２Ｏ３の分解速度は増加し、Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３内に生成される金属インジウムの量が増加する。結果として、Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３の導電性は、高くなる。金属インジウムの濃度は、融液中には測定できないものの、得られたＩｎ２Ｏ３単結晶内で測定することができる。測定では、金属インジウムが約３０〜８０体積ｐｐｍの濃度で存在することを示した。Ｉｎ２Ｏ３の融点は、我々の測定では、１９５０℃〜２０００℃である。この融点近くでは、Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３内の金属インジウム濃度は、比較的高い導電性を誘導するために十分に高くなる。なお、融点の「近く(Near)」又は「付近(around)」とは、融点１９５０℃〜２０００℃からのずれの最大値が±５０Ｋであることである。このような条件下では、誘導コイル６からの電磁場は、導電性のＩｎ２Ｏ３出発物質２３を透過し始める。そうすると、導電性のＩｎ２Ｏ３出発物質２３は、るつぼ側壁２４に接触する。その結果、浮上力が発生し、浮上力は、Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３の上部部分２３．１を上昇させ、首部分が形成される（図２Ｂ）。温度が上昇すると（図３の領域Ａ）、Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３の導電性は高くなり、これにより、Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３を通過する電流量が増加する。この通過電流は、付加的な熱源として働く。この段階でＩｎ２Ｏ３出発物質２３は、３つの源により加熱される。３つの源とは、熱伝導、熱放射、及び付加的な熱源として機能する電気誘導である。このような条件下では、Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３全体は即座に溶融し、実質的に同時に溶融する。このような溶融の現れとして、るつぼが突然閃光を放ち、ケルビン温度で数十度の温度ジャンプ（例えば、図３の領域Ｂで３０Ｋ）（温度ジャンプは、監視点に依存して８０Ｋになることがある）が発生し、分解が大幅に強まる（そして、秤量ユニットが示す質量損失が大幅に増加する）。これらの現象は、全てＩｎ２Ｏ３出発物質２３が液状であることを示している。Ｉｎ２Ｏ３の突然の溶融は、貴金属製のるつぼ４を介してのＩｎ２Ｏ３出発物質２３の電磁結合に関連している。このような挙動は、電磁結合に十分な導電性を有しない、その他の酸化物では見られなかった。
【００５５】
図２Ｃは、Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３の全体が液状である状況を示している。Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３は、溶融上部部分２３．１、溶融底部部分２３．２及び溶融首部分２６からなる。溶融首部分２６は、溶融上部部分２３．１と溶融底部部分２３．２とを接続している。上部部分２３．１は、電磁浮上により底部部分２３．２の上方に浮上し、るつぼ側壁２４に接触することはまずない。それに加えて、底部部分２３．２からの（矢印が示す）分解生成物２７の高い蒸気圧により、電磁浮上を容易にし、安定化することができる。このような形態では、ガス状の分解生成物２７は、一方では、上部部分２３．１から逃げて直接に排出開口２２に到達し、次いで雰囲気に到達する。他方では、底部部分２３．２からまず初めに上部部分２３．１の周りを通り及び／又は上部部分２３．１を貫流し、次いで排出通路に流入する（溶融Ｉｎ２Ｏ３を通過しての拡散はあまり効果的でない）。図３の領域Ｃが示すように、過熱を適用すると首部分が細くなる。これは、後の単結晶形成によい影響を与える。過熱は、約５％、すなわち約１００Ｋより高くなってはならない、何故ならば、それ以上の高い過熱は、比較的に高い結晶劣化の原因となる可能性があるからである。このような高い過熱を適用できるのは、例えば５〜３０ｍｉｎ程度の非常に短い時間の間だけである。
【００５６】
強調する点は、過熱は、金属るつぼ２４内の温度勾配に依存し、温度勾配は、るつぼ横断面領域に対する排出開口２２、２２．１の相対的な横断面領域（寸法）に関連するということである。排出開口２２、２２．１の横断面領域が大きいと、金属るつぼ２４内の温度勾配も大きくなり、これにより首部分２６が太くなる。首部分２６が太くなると、形成されるＩｎ２Ｏ３単結晶は小さくなる。このような状況では、過熱は、首部分２６の厚さを減少させるために好ましい。他方で、排出開口２２、２２．１の横断面領域の小さいと、金属るつぼ２４内の温度勾配が小さくなり、これにより首部分２６が細くなる。温度勾配が小さい場合に過度の高温で過熱すると、首部分２６は液状となって壊れる。首部分２６がないと凝固が自発的に生じ、そうすると通常は多結晶（この多結晶は複数の小さい単結晶の集まりである）が形成されるものの、比較的大きい単結晶粒も得られる。したがって過熱のほうが好ましいと考え、過熱を選択する場合には、過熱は、蓋１２中の排出開口２２、２２．１の横断面領域に構成させる必要がある。
【００５７】
秤量ユニット１９を適用する場合、質量損失率のジャンプが見られる。このようなジャンプは、溶融直前の値の５０％〜１００％である。絶対値は、炉の設計に依存して、異なることがある。何故ならば、分解生成物２７の大部分は、サーマルシステム内に堆積するからである。その全堆積量は、秤量ユニット１９により秤量される。質量分析計を使用すると、インジウム等の分解生成物の濃度の上昇を検出することができる。
【００５８】
液状のＩｎ２Ｏ３は、典型的には、５〜２０ｗｔ％／ｈの高速度で分解する。このため、この物質を過度に長い間、液状に維持してはならない。本方法の次のステップは、液状のＩｎ２Ｏ３物質を室温に冷却することである（図３の領域Ｄ）。冷却ステップにて重要な点は、（図３の領域Ｂと領域Ｅとの間の）Ｉｎ２Ｏ３の凝固時間を、著しく短くすることである。そうでないと、Ｉｎ２Ｏ３出発物質の大部分が分解して蒸発することとなる。一旦Ｉｎ２Ｏ３が凝固したら、冷却速度を減少してよい。我々の実験によると、液状のＩｎ２Ｏ３は、融点より低い約８０Ｋ〜１００Ｋの温度で固体（図３の領域Ｅ）に結晶化する（すなわち、このような過冷却が必要である）。したがって、液状からＩｎ２Ｏ３の結晶点への冷却速度は、５０Ｋ／ｈより高い冷却速度でなければならず、好ましくは１００Ｋ／ｈより高い冷却速度であり、より好ましくは２００Ｋ／ｈより高い冷却速度であり、例えば５００Ｋ／ｈ、１０００Ｋ／ｈ、又はより高い２０００Ｋ／ｈ程度の冷却速度でなければならない。このような高い冷却速度は、結晶点に対応する又は結晶点より低い値に発生器を突然変化させることにより、達成できる。一旦液状のＩｎ２Ｏ３が結晶化すると、５０Ｋ／ｈ〜１０００Ｋ／ｈの範囲の任意の適切な冷却速度を適用することができる。冷却速度は、線形又は非線形又は両者の組み合わせでよい。
【００５９】
バルク単結晶への液状のＩｎ２Ｏ３の結晶化プロセスは、高い冷却速度でも低い冷却速度でもかなり速い。図２Ｄに示すように、結果として生じるバルク単結晶は、頂部単結晶２８．１、底部単結晶２８．２及び首部結晶２９からなる。単結晶種を使用せずに単結晶２８．１及び２８．２を形成することは、首部分２６の存在に関連している。すなわち、首部分２６が、結晶学的な優先方位に導く種として機能するのである。頂部及び底部単結晶２８．１及び２８．２の方位は、典型的には、[１１１]、又は[１００]、[０１０]、[００１]であり、最後の３つは、Ｉｎ２Ｏ３の立方体構造と等価である。頂部及び底部単結晶２８．１及び２８．２は、それぞれ、１つの単結晶ブロックを備えることができる。首部分２６が細くなるほど、単結晶２８．１及び２８．２がそれぞれ１つの単結晶ブロックを形成する確率が高くなる。一旦頂部及び底部単結晶２８．１及び２８．２が形成されると、頂部単結晶２８．１と底部単結晶２８．２との間の自由空間３０であって実質的に排出通路がない自由空間３０内での分解生成物２７の蒸気圧は、増加する。何故ならば、頂部の単結晶と内側るつぼ壁との間のギャップが、典型的には、分解生成物２７の凝縮により閉塞されるからである。自由空間３０内の圧力が増加して頂部単結晶２８．１を持上げ、曳いてはガス状の分解生成物２７のための排出通路を形成する。一旦このようになると、図３のセグメントＥが示すように、非常に高い温度振動が見られる。首部分２９が比較的細いと、すなわちるつぼ直径の約１０％より小さいと、首部結晶２９は、蒸気圧が過圧になると壊れるであろうし、そうすると、図２Ｆが示すように、頂部単結晶２８．１が底部単結晶２８．２から分離され、通常は傾く。このように頂部単結晶２８．１が傾くのは、自由空間３０内に形成された蒸気圧が発揮する持ち上げ力が、分解生成物２７がるつぼから逃げる通路を形成するからである。
【００６０】
ここで留意すべき点は、図３に示す温度プロファイルは１つの例にすぎず、本発明を限定するものではないことである。このような温度プロファイルは、監視点に依存して異なることがある。例えば温度を排出通路又はその近くで監視する場合、高い温度振動（約±５Ｋ）が、図３の領域Ｂで溶融の間に現れる。このような高い温度振動は、明確に見分けられるピークが生じたのではなく、溶融が生じたことを示すこともある。図３の領域Ｃも、適用した過熱と排出通路からの距離とに依存して、実質的に一定のまま又は減少することもある。
【００６１】
サーマルシステム３を一旦室温まで冷却すると、単結晶２８．１及び２８．２は、首部結晶２９が存在するならば、首部結晶２９と共に貴金属製のるつぼ４から除去することができる。例えば、液状のＩｎ２Ｏ３に作用する電磁浮上力及び結晶化の後に固体状のＩｎ２Ｏ３に作用する蒸気圧等のＩｎ２Ｏ３に作用する内力の結果、単結晶２８．１及び２８．２（存在するならば、首部結晶２９も）は、金属るつぼ４内で実質的にルーズな状態にある。したがって、それらは、付加的な機械的手段を適用せずに、容易に除去することができる。なお、前記付加的な機械的手段とは、例えば、コアボーリング又はるつぼ内の固体状のＩｎ２Ｏ３を壊すことを容易にする、その他の工具等のことである。これらは、るつぼの損傷のリスクを増加することとなるであろう。加えて、貴金属製のるつぼは、変形することが大幅に少ない、何故ならば、融液とるつぼとの間の接触は、殆どないからである（浮上）。このような両方の特徴により、るつぼの寿命を延ばすことができる。
【００６２】
本発明の方法の更なる別の利点は、短いプロセス時間である。プロセス時間は、典型的には、７〜２０時間である。この時間は、加熱開始から数えて、るつぼから単結晶を除去するまでの時間である。また、その際、結晶品質が良好であり、プロセス収率（出発物質に対する結晶質量の比）が２０〜５０％と高いことが前提となっている。真にバルク状の酸化物単結晶を生成する貴金属製のるつぼを使用する従来の溶融成長法が、同様のプロセス収率を得るのにかかるプロセス時間は、少なくとも数日である。るつぼの寿命が延び、プロセス時間が短く（単位時間内にて、エネルギー消費を低く、成長ラン数(growth runs)を大きくすることができる）、外部種(external seed)が不要であり、回転機構と引っ張り機構とが関連作動し、るつぼを清浄するのに必要な時間及び資源を節約する点を考慮すると、本方法は、その他の成長技術に比べて非常にコスト効率が良い。それに加えて、本方法は、真にバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を提供することができる。これは、従来の結晶成長法のいずれもが達成できなかったことである。
【００６３】
以下、詳細な結晶成長の条件及びパラメータについて説明する。
【００６４】
［成長雰囲気］
結晶成長プロセスが行われる成長雰囲気は、重要な要素となる。何故ならば、成長雰囲気により、Ｉｎ２Ｏ３の分解を制御するからである。本発明では、少なくとも０．００５ｂａｒ（５×１０２Ｐａ）の所定の程度の酸素部分圧が、融点の周りに存在しなければならない。そうでないと、Ｉｎ２Ｏ３出発物質全体が、溶融前に分解してしまうこととなる。他方で、酸素分圧が過度に高くなり、融点付近で約０．２ｂａｒ（２×１０３Ｐａ）より高くなると、液状のＩｎ２Ｏ３の導電性が、電磁結合及び電磁浮上に十分でないかもしれないレベルまで分解を減少させる。したがって、本発明では、成長雰囲気は、Ｉｎ２Ｏ３の融点付近にて０．００５ｂａｒ〜０．２ｂａｒの酸素部分圧を含まなければならない。
【００６５】
このような酸素分圧は、異なる方法で提供することができる。適切な濃度の酸素は、例えばヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノン及び／又は窒素などの１種以上の中性ガスと混合することができる。イリジウムは、（約１２００℃より低い)低温では酸化するが、より高い温度では比較的そのままである。実際には、約２％（０．０２ｂａｒ）の酸素まではイリジウムに使用できるが、それでも、強いイリジウム酸化が生じることとなる。したがって、ガス混合物中の酸素は、約０．０２ｂａｒを越えてはならない。代替的でより良好な解決法としては、二酸化炭素（ＣＯ２）を含む成長雰囲気を使用することである。何故ならば、二酸化炭素（ＣＯ２）は、温度上昇と共に、酸素と一酸化炭素（ＣＯ）とに部分的に分解するからである。更に、ＣＯ２の分解の仕方は、酸素部分圧が（約１２００℃より低い）低温では非常に低く、イリジウムが実質的に酸化されないという仕方である。このようにすれば、ただ酸素をその他の中性ガスと混合するよりも、高い高温で酸素分圧を得ることができる。ＣＯ２は、単独でも使用でき、例えば前述の希ガス及び窒素などのその他の中性ガスと混合することもできる。例えば、ＣＯ２を含む成長雰囲気を使用する場合、Ｉｎ２Ｏ３の融点付近の酸素分圧を０．００５ｂａｒとするためには、ガス混合物中のＣＯ２の濃度は約０．０１％でなければならない。その他のガスに対する成長雰囲気の比を変えることにより、任意の適切な酸素分圧を得することができる。成長雰囲気がＣＯ２のみからなる場合、Ｉｎ２Ｏ３の融点付近で約０．０４ｂａｒの酸素分圧を得することができる。また、酸素分圧を高くするためには、過圧を適用することができる。例えばＣＯ２を成長雰囲気として使用する場合、Ｉｎ２Ｏ３の融点付近の酸素分圧を０．２ｂａｒにするためには、２５〜３０ｂａｒの過圧を適用しなければならない。
【００６６】
［温度勾配及び排出通路］
Ｉｎ２Ｏ３の分解は、酸素分圧の関数であるばかりだけでなく、温度勾配の関数でもある。過度に高い温度勾配を（チョクラルスキー法において存在する露出された融液表面に対して行うように）適用すると、Ｉｎ２Ｏ３は高い酸素分圧下でも溶融しないであろう。したがって、頂部るつぼ開口(the top crucible opening)は、完全に閉じなければなければならない。他方で、ガス状のＩｎ２Ｏ３の分解生成物のための通路が存在しない場合、貴金属製のるつぼ内に形成される内圧は、ある時点で爆発するであろう。このように低い温度勾配を維持する際、分解生成物のための適切な排出通路が必要となる。我々の実験データによれば、排出通路の横断面の全表面積は、るつぼ横断面の表面積の０．２５％〜３０％でなければならない。排出通路の横断面の表面積が０．２５％より小さいと、排出通路は、分解生成物を排出するのに十分に効率的でないであろうし、そうすると、るつぼ内の分解生成物が堆積し、曳いては爆発が発生するであろう。他方で、排出通路の横断面の表面積が３０％より大きいと、温度勾配が過度に高くなるであろうし、そうするとＩｎ２Ｏ３出発物質が完全には溶融せず、単結晶が得られないであろう。
【００６７】
［発生器周波数］
本発明に係るＩｎ２Ｏ３成長法では、１ｋＨｚ〜２ＭＨｚの周波数を発生する無線周波数発生器を使用しなければならい。無線周波数は、Ｉｎ２Ｏ３の電磁浮上を発生する要因パラメータのうちの１つである。何故ならば、（一旦導電性となった金属るつぼ及びＩｎ２Ｏ３出発物質）導電性媒体内への電磁場の侵入深さ（すなわち表皮厚さ）は、次式が示すように周波数に関連するからである。
【数３】
2015515441.tif 000005
ただし、δは侵入深さ（すなわち表皮厚さ）であり、ｆは周波数であり、μは透過率であり、σは導電率である。イリジウムの場合、１ｋＨｚに対して侵入深さは約１２ｍｍであり、２ＭＨｚは約０．３ｍｍである。
【００６８】
［貴金属製のるつぼ］
Ｉｎ２Ｏ３成長プロセスは、前述したように、ある程度の部分圧と、２０００℃を超える動作温度とを必要としている。（約１８００℃より大きい）高温で酸化物結晶を成長させるために、るつぼの材料として使用できるいくつかの金属がある。例えば、イリジウム、モリブデン、タングステン及びレニウム又はそれらの合金である。しかしながら、イリジウムのみが、制限された酸素分圧に耐えることができるであろう。したがって、イリジウムベースの金属が、融液からバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させるのに最も適切な物質である。るつぼは、実質的に（９９％より高い濃度の）純粋なイリジウムからなることも、イリジウムと、例えば白金、レニウム、ロジウム等のその他の元素との合金からなることも可能である。なお、前記合金の場合、イリジウムの濃度は、約９０％より高くなければならない。
【００６９】
るつぼの別の重要な構成は、壁厚、すなわち電磁場が、金属るつぼ内にあるＩｎ２Ｏ３出発物質内に侵入する際に通過する壁の厚さである。壁厚は、前述のように、導電性媒体中の電磁場の侵入深さより大きくしてはならない。したがって、るつぼの壁厚は、無線周波数に依存して０．２〜４ｍｍでなければならず、最も好ましくは０．５〜２．５ｍｍである。
【００７０】
金属るつぼは、異なる形状を有することができる。その形状は、円筒形、円錐形又は丸形底部を有する円筒形、樽状の側壁及びそれらの組み合わせとすることができる。るつぼ底部及び壁厚は、一定でもよく、変化してもよい。例えば壁厚は、１〜２ｍｍの間で変化してもよい。このようにして、侵入深さ、曳いては電磁浮上力を、るつぼ壁に沿って調節する。
【００７１】
［Ｉｎ２Ｏ３出発物質］
溶融し単結晶に結晶化するＩｎ２Ｏ３出発物質は、導電性であってはならない。すなわちＩｎ２Ｏ３出発物質は、電気絶縁体又は半導体とすることができる。換言すれば、Ｉｎ２Ｏ３出発物質の電気抵抗率は、１０−２Ωｃｍより高くなければならない。Ｉｎ２Ｏ３出発物質の電気抵抗率が（例えば、１０−３Ωｃｍより低い等のように）非常に低い場合、このようなＩｎ２Ｏ３出発物質は、縮退半導体とみなすことができる。溶融前のこのようなＩｎ２Ｏ３出発物質は顕著に過剰な金属インジウムを有することになるであろう。このようなＩｎ２Ｏ３出発物質は、加熱中にイリジウムと共晶混合物を形成しやすい。共晶混合物が形成されると、るつぼが損傷されることもある。本発明に係る１つの好ましい形態では、Ｉｎ２Ｏ３出発物質は、実質的に電気絶縁体すなわち半導体であり、その導電性（比抵抗）は、前述のように適切な酸素分圧を加えることにより制御できる。
【００７２】
Ｉｎ２Ｏ３出発物質は、粉末、顆粒、セラミック、多結晶（例えば前の成長ランからのスクラップ）、又はそれらの組み合わせとすることができる。粉末の場合、好ましくは金属るつぼに入れる前に乾燥、圧縮及び／又は焼結する。Ｉｎ２Ｏ３出発物質の化学的純度は、可能な限り高くしなければならならず、好ましくは９９．９９％（４Ｎ）若しくは９９．９９９％（５Ｎ）又はこれらより高い純度である。このような高い純度が好ましいのは、残留不純物の濃度を最小化するためであり、不純物のうちのいくつかは、成長プロセス及び／又は結果として得られるＩｎ２Ｏ３単結晶の電気特性及び光学特性に影響するであろう。他方、いくつかの不純物（ドーパント）は、後述のように特定の結晶特性を得るために、Ｉｎ２Ｏ３出発物質に意図的に加えることもできる。
【００７３】
［装置］
融液からバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させる装置は、図１を参照して前述した。図４は、本発明に係るサーマルシステム１０３の例示的な形態を示している。この形態では、前述の結晶成長法を行うことができる。サーマルシステム１０３は、貴金属製のるつぼ１０４を含んでいる。貴金属製のるつぼ１０４は、るつぼ断熱材１０９により囲まれている。るつぼ断熱材１０９は、耐火材料からなる。耐火材料としては、例えばジルコニア及び／又はアルミナ及び／又はマグネシア絶縁体などがある。耐火材料は、２１００℃までの高温に耐える。本発明の例示的な形態では、るつぼ断熱材１０９は、１つ以上の外側アルミナ管１０９．１からなる。アルミナ管１０９．１には、ジルコニア顆粒が充填されている。アルミナ管１０９．１内には、貴金属製のるつぼ１４が配置されている。当業者には、るつぼ断熱材１０９には別の形態を適用できることは自明であろう。更に、るつぼ断熱材１０９は、耐火材料からなる管、スラブ及び／又はレンガ及び／又はフェルト及び／又はサーマルウールから設計することができる。また、このような又は同様の耐火材料の任意の組み合わせも使用することができる。
【００７４】
サーマルシステム１１０の重要な点の１つは、上からるつぼ１０４を囲むカバー１１０である。カバー１１０は、少なくとも蓋１１２を備えている。蓋１１２は、るつぼの頂部上に配置されている。蓋１１２は、貴金属材料からなることが可能であり、好ましくは、例えばイリジウム又はイリジウム合金などのるつぼ１０４と同一の材料からなる。蓋１１２は、高い動作温度に耐えることができる非金属耐火材料からなることも可能である。このような非金属耐火材料としては、サファイア、マグネシア又はその他の高融点材料が挙げられる。蓋１１２のための非金属耐火材料は、セラミック又は単結晶の形のものでなければならない。
【００７５】
蓋１１２の目的は、るつぼ内の熱勾配を最小化し、Ｉｎ２Ｏ３出発物質１２３の分解により発生するガス状の生成物を、るつぼ内部から排出することである。蓋１１２は、熱遮蔽体として動作するため、その厚さ及び熱特性は、るつぼ１０４内の熱勾配に影響する。蓋１１２は、０．５ｍｍから数センチメートルの任意の適切な厚さを有することができる。蓋１１２が貴金属材料からなる場合、その厚さは、主に経済的な観点より０．５〜３ｍｍの範囲である。蓋１１２が非金属耐火材料からなる場合、その厚さは、例えば２〜８ｃｍなどの数センチメートルに及ぶことができる。蓋１１２が十分に厚くないと（すなわち約２ｍｍより薄いと）、好ましくは、カバー１１０は、任意選択的な頂部断熱材１１３を備えている。頂部断熱材１１３は、るつぼ断熱材１０９及び蓋１１２の頂部上に配置されている。頂部断熱材１１３は、るつぼ断熱材１０９に関して説明したように、任意の断熱材からなることができる。使用する材料及びそれらの形状は、異なる形態のものでもよい。何故ならば、頂部断熱材１１３の目的は、るつぼ１０４内のるつぼ１０４内の熱勾配を更に減少し、Ｉｎ２Ｏ３の分解生成物の排出を容易にすることであるからである。図４Ａ〜４Ｄに示す本発明の例示的な形態では、頂部断熱材１１３は、るつぼ断熱材１０９及び蓋１１２の頂部に配置されている。頂部断熱材１１３は、単一の熱絶縁ブロック（図４Ａ及び４Ｂ）、２つ以上の同心の熱絶縁管及び／又はシリンダ（図４Ｃ）、又は１つ以上の熱絶縁管に囲まれた金属アフターヒータ１３２により形成することができる。
【００７６】
熱絶縁設計での重要な要因の一つは、るつぼ１０４の内部からＩｎ２Ｏ３の分解生成物を排出するための適切な排出通路である。この目的のために、蓋１１２は、排出開口１１１の形の１つ以上の排出通路を有し、排出開口１１１は、任意の形状及び配置を有することができる。また、１つ以上の排出開口１１１の表面積は、るつぼの横断面積の０．２５％〜３０％でなければならない。１つ以上の排出開口１１１の表面積がより小さいと、るつぼ１０４内のガス状の生成物が蓄積するであろう。そうすると、ある時点で爆発が発生するであろう。他方で、１つ以上の排出開口１１１の表面積がより大きいと、温度勾配が過度に高くなるであろう。そうすると、Ｉｎ２Ｏ３の溶融が不完全になり、分解速度が過度に高くなるであろう。
【００７７】
蓋１１２は、１つの中央開口、１つ以上の側面開口、１つ以上のエッジ開口又はこのような配置のうちの任意の配置の組み合わせを含むこともできる。蓋１１２の開口は、例えば円形、楕円形、方形、多角形、スリット又はこのような形状の任意の組み合わせなどの任意の形状を有することができればよく、これらの例に制限されない。１つ以上の開口は、任意の方法で配置できる。例えば１つ以上の開口は、中央領域に配置される及び／又は周辺に沿って配置される及び／又は周辺と蓋１１２の中央領域と間に配置されることもある。１つ以上の開口は、対称的にも非対称的にも配置することができる。
【００７８】
蓋１１２は、例えば平面形（図５Ａ）、るつぼ１０４の内部に向かって凹状（図５Ｂ）又は凸状（図５Ｃ及び５Ｄ）、球形（図５Ｂ及び５Ｃ）、円錐形（図５Ｄ）などの任意の適切な形状を有することができるが、これらの例に制限されない。それぞれの場合に蓋１１２は、るつぼの頂部エッジ（図６Ｅ）に完全には接触しないように波状であることができる。このようにして、代替的又は付加的な側面開口１１１．３を、蓋１１２と貴金属製のるつぼ１０４の頂部エッジと間に形成できる。側面開口１１１．３の利点は、頂部断熱材が存在する場合に頂部断熱材がＩｎ２Ｏ３出発物質を汚染する確率を低くすることにある。
【００７９】
頂部断熱材１１３を使用する場合、頂部断熱材１１３は、蓋１１２内の少なくとも１つの開口１１１、１１１．１、１１１．３に連通する少なくとも１つの排出通路（図４Ａ〜４Ｄ）を含まなければならない。このような１つ以上の排出通路は、１つ以上の水平排出チャネル１１１．４（図４Ａ）、１つ以上の垂直排出チャネル１１１．５、１１１．６（図４Ｃ及び４Ｄ）又は水平排出チャネルと垂直排出チャネルとの組み合わせにより、形成できる。排出チャネル１１１．４、１１１．５、１１１．６は、任意の形状を有することができる。例えば、排出チャネルは、直線状、曲線状又は角状の形状とすることができる。垂直排出チャネル１１１．６は、例えば、同心管等の２つの絶縁構成要素の間の角状スリットなどより、形成できる（図４Ｃ）。チャネルも、例えば、円形、半円形、楕円形、方形、多角形等の任意の横断面を有することができる。本発明の更に別の形態では、図４Ｄに示すように、カバー１１０は、貴金属製アフターヒータを含むこともできる。前記貴金属製アフターヒータは、好ましくは蓋１１２上で支えられ、頂部断熱材１１３により囲まれている。また、アフターヒータ１３１は、誘導コイル１０６により、誘導加熱される。
【００８０】
図１に関連して説明したように、融液からバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させる装置は、溶融検出手段を含んでいる。
【００８１】
図６は、融液からＩｎ２Ｏ３単結晶を成長させるために使用される、貴金属製のるつぼ１０４の形状を例示している。貴金属製のるつぼ１０４は、円筒形のるつぼ壁１２４．１（図６Ａ）及び平らなるつぼ底部１２５．１を有することもできる。これにより、製造が容易となり、結晶の取り出しが容易となる。樽状のるつぼ１２４．２（図２Ｂ）は、より凸状のるつぼ壁での電磁場との結合がより良好であり、曳いては、より大きい浮上力が発生する。このより大きい浮上力を、円筒形の樽状壁１２４．３（図６Ｃ）によりるつぼ底部へ向かって移動させ、浮上するＩｎ２Ｏ３出発物質の量を増加することができる。更に、図６Ｂ及び６Ｃの形状は、貴金属製のるつぼ１０４内の温度勾配を小さくし、曳いてはＩｎ２Ｏ３の分解速度を低くする。平らなるつぼ底部１２５．１の誘導的加熱は、るつぼ壁１２４に比べて、効果が小さい。したがって、るつぼ底部の中央領域での温度勾配を減少させるために、球形又は円錐形るつぼ底部１２５．２、１２５．３を使用できる（図６Ｄ）。更に別の形態では、台形壁１２４．４（図６Ｅ）を有するるつぼ１０４を、誘導コイルの円錐形に構成するために使用できる。このようなるつぼ形状は、単結晶の取り出しを容易とする。当業者は、貴金属製のるつぼ１０４内の浮上力を高くし、温度勾配を低くするために、例示的なるつぼ形状の任意の組み合わせ又はその他の形状が可能であることを理解するであろう。
【００８２】
誘導コイル１０６は、円筒形（図７Ａ）、円錐形又は両者の組み合わせ（図７Ｂ）とすることができる。誘導コイル１０６は、１、２又は３層のコイル巻き１０６．１、１０６．２（図７Ｃ）からなることが可能であり、追加のコイル１０６．２は、コイルの底部に配置される。円錐形コイルは、その底部に追加のコイルを有することもある。コイル１０６の円錐形並びに追加の層又は巻き１０６．２は、電磁浮上を増加させ、曳いては浮上する液状のＩｎ２Ｏ３の量を増加させる。この場合、貴金属製のるつぼは、るつぼ内の異なる箇所に配置でき、るつぼの中央平面の下方にも配置できる。個々のコイル巻きの間の距離は、同一であることも異なることも可能である。例えば、図７Ｄに示すように、底部コイル巻き間の距離は、頂部コイル巻き間の距離より小さい。１つの誘導コイルの代りに、図７Ｅに示すように、２つ以上の誘導コイル１０６．３，１０６．４を使用することもできる。このようなコイルの形態は、能動的な貴金属製アフターヒータを使用する際に使用できる。各個々のコイル巻きの横断面は、（図面のように）円形、方形、楕円形又はそれらの混合形状とすることも可能である。コイル巻きの数も、るつぼ寸法に依存して変化することもあり、２、３、４、５、６又はそれより大きい数とすることが可能である。
【実施例】
【００８３】
［実施例１］
４０ｍｍの直径、４０ｍｍの高さ及び１．５ｍｍの壁厚の円筒形イリジウムるつぼを使用した。Ｉｎ２Ｏ３出発物質は、９９．９９％の純度の粉末であり、るつぼに入れた量は１３０ｇとした。それは、電気絶縁材料であった。成長雰囲気は、１ｂａｒのＣＯ２とした。成長雰囲気の酸素濃度は、室温とＩｎ２Ｏ３の融点との間で約０％〜約３〜４％（約０．０３〜０．０４ｂａｒ）とした。図４Ｄに示すサーマルシステムと、１つの中央開口を有する平らなイリジウム蓋（図５Ａ）を使用した。排出通路の横断面積は、るつぼの横断面積の約３０％とした。誘導コイルは円筒形であり、図７Ｅに示すように、２つの部品から成り、発生器周波数は３０ｋＨｚとした。るつぼの中央表面は、るつぼコイルの中央平面の上方に位置した。加熱速度は、平均２００Ｋ／ｈとした。融点は、高温計及びるつぼ秤量ユニットにより監視した。
【００８４】
結果として、Ｉｎ２Ｏ３出発物質は、首部及び底部で溶融したが、頂部では溶融しなかった。首部直径は、るつぼ直径の約５０％であり、約１３ｇ（出発物質の１０重量％）のＩｎ２Ｏ３単結晶を底部で得た。この例は、蓋内の排出通路の横断面積の上限と、対応する温度勾配を示す。排出通路の横断面積がより大きいと、溶融に関して問題が生じ、何らかのＩｎ２Ｏ３単結晶が得られるかどうかという問題が生じる。
【００８５】
［実施例２］
適用した装置及び条件は、実施例１と同一とした。イリジウム蓋は、図５Ｂに示すように、凹状とし、中央排出通路及び側面排出通路を有し、排出通路の横断面積は、るつぼの横断面積の約２％とした。
【００８６】
Ｉｎ２Ｏ３出発物質は、完全に溶融し、首部直径は、るつぼ直径の約２５％であった。垂直方向にて［１００］方位のＩｎ２Ｏ３単結晶であって、全重量が約３０ｇ（出発物質の約２３重量％）のＩｎ２Ｏ３単結晶を得た。
【００８７】
［実施例３］
装置及び条件は実施例２と同一とした。るつぼの中央平面は、るつぼコイルの中央平面の下方に位置した。すなわち、溶融物質のレベルが、コイルの中央平面の下方にあった。
【００８８】
Ｉｎ２Ｏ３出発物質は、完全に溶融したが、首部分は実質的に形成しなかった。これは、浮上が存在しなかったことを意味する。しかしながら、約１５ｇのいくつかのＩｎ２Ｏ３単結晶粒を得た（出発物質の約１１．５重量％）。
【００８９】
［実施例４］
（図６Ｄで破線により示すように）丸味を帯びた底部を有する４０〜４４ｍｍの直径、４０ｍｍの高さ及び１．２ｍｍの壁厚を有する樽状イリジウムるつぼ（図６Ｂ）を使用した。Ｉｎ２Ｏ３出発物質は、９９．９９％の純度の粉末であり、るつぼに入れた量は、１５０ｇとした。この粉末は、電気絶縁物質であった。成長雰囲気は、１ｂａｒの圧力のＣＯ２とした。図４Ｃのサーマルシステムに類似のサーマルシステムを使用した。るつぼをカバーする波状イリジウム蓋（図５Ｅ）を使用し、排出通路の横断面積は、るつぼの横断面積の約１０％とし、頂部断熱材内の排出通路を形成し、熱絶縁管の間に角状スリットを形成した。コイルは、図７Ａに示すように円筒形であり、発生器周波数は３０ｋＨｚとした。るつぼの中央平面は、コイルの中央平面の上方に位置した。加熱速度は、約２００Ｋ／ｈとし、冷却速度は、平均３００Ｋ／ｈとした。
【００９０】
Ｉｎ２Ｏ３出発物質は完全に溶融し、首部直径はるつぼ直径の約４０％であった。約３０ｇ（出発物質の約２０重量％）のＩｎ２Ｏ３単結晶を得た。
【００９１】
［実施例５］
実施例４の装置及び条件を適用した。出発物質は、溶融の後に約３．５％（すなわち約７０Ｋ）だけ、任意選択的に過熱した。
【００９２】
Ｉｎ２Ｏ３出発物質は、完全に溶融され、首部直径は、るつぼ直径の約３０％であった。垂直方向にて［１００］方位の約７５ｇ（出発物質の約５０重量％）のＩｎ２Ｏ３単結晶を得た。これは、本発明の非常に好ましい態様である。
【００９３】
［実施例６］
装置及び条件は、実施例５と同一とした。誘導コイル内のるつぼ位置は、より高かくした。すなわち、るつぼの頂部は、より高い浮上力を発生させるために、コイルの上方数ミリメートルだけ延ばした。冷却速度は、平均約１０００Ｋ／ｈとした。
【００９４】
約７５ｇ（出発物質の約５０重量％）の２つの別々の単結晶が得られた。これは首部が、Ｉｎ２Ｏ３が液状の状態にて非常に細く、頂部単結晶と底部単結晶との間の空間内の内部蒸気圧が頂部単結晶を上方に押し、種を壊した結果、凝固後に壊されたことを示す。この実施例は、本発明の更なる好ましい態様を示す。
【００９５】
別の実験では、首部は、例えば過度に低い温度及び／又は高い過熱及び／又は過度に高い浮上力に起因して、Ｉｎ２Ｏ３が液状の状態にてすでに壊された場合、自発的に凝固された液体は、通常、多結晶を形成する。これらの多結晶には、（数ミリメートルにさえなる）大きいバルク状単結晶粒が見られるが、このような状況は、細い首部が凝固発生まで維持される実施例と比較して、最も好ましいものではない。
【００９６】
［実施例７］
丸味を帯びた底部を有する、４０〜４４ｍｍの直径、４０ｍｍの高さ、１．２ｍｍの壁厚を有する（図６Ｂに示す）樽状イリジウムのるつぼを使用した。Ｉｎ２Ｏ３出発物質は、９９．９９％の純度の粉末であり、るつぼに入れた量は、１５０ｇとした。この粉末は、電気絶縁物質であった。成長雰囲気は、１ｂａｒのＣＯ２であった。図４Ａに示すサーマルシステムを使用した。るつぼをカバーする（図５Ｄに示す）円錐形イリジウム蓋を使用し、排出通路の横断面積はるつぼの横断面積の０％とした。円筒形コイルは、図７Ａに示すものであり、発生器周波数は３０ｋＨｚであった。るつぼの中央平面は、るつぼコイルの中央平面の上方に位置した。加熱速度は、約２００Ｋ／ｈであり、冷却速度は、平均５００Ｋ／ｈとした。
【００９７】
Ｉｎ２Ｏ３出発物質の全部を溶融した。しかしながら、るつぼ内にガス状の生成物が蓄積したことに起因して、凝固後に冷却の間に炉内に爆発が発生した。これにより、すでに形成したＩｎ２Ｏ３単結晶が部分的に破壊された。
【００９８】
［実施例８］
装置及び条件は、図７と同一とした。また、１つの中央開口を有するイリジウム蓋の排出通路の横断面積は、るつぼの横断面積の約０．２５％とした。
【００９９】
Ｉｎ２Ｏ３出発物質の全部を溶融した。２つの別々の単結晶が得られた。すなわち、首部は非常に細く、凝固中に壊れた。垂直方向で［１１１］方位の約３０ｇの重量（出発物質の約２０重量％）の２つのＩｎ２Ｏ３単結晶が得られた。この場合、小爆発が見られた。これは、蓋内の排出通路の横断面積が、０．２５％ではなく最小限の値であったことを示す。
【０１００】
［実施例９］
丸味を帯びた底部を有する直径４０〜４４ｍｍ、高さ４０ｍｍ及び壁厚１．２ｍｍの（図６Ｂに示す）樽状イリジウムるつぼが使用された。Ｉｎ２Ｏ３出発物質は９９．９９％の粉末であり、るつぼに入れた量は１５０ｇであった。粉末は電気絶縁物質であった。成長雰囲気は圧力１ｂａｒのＣＯ２であった。図４Ａのサーマルシステムが使用された。るつぼをカバーする（図５Ｅに示す）重いイリジウム蓋が使用され、排出通路の横断面積はるつぼの横断面積の約１０％であった。図７Ａに示す円筒形コイルが使用され、発生器周波数は３０ｋＨｚであった。るつぼの中央平面はるつぼコイルの中央平面の上方に位置した。加熱速度は約２５０Ｋ／ｈであり、冷却速度は平均５００Ｋ／ｈであった。
【０１０１】
実施例６と同一の結果が得られた。すなわち垂直方向で［１００］方位の約７５ｇ（出発物質の約５０重量％）の２つの別々の単結晶が得られた。本発明のこの態様は非常に好ましい。
【０１０２】
［実施例１０］
実施例９と同一の装置及び条件が適用された。排出通路の横断面積がるつぼの横断面積の約１０％である図５Ｃに示す凸状イリジウム蓋が使用された。任意選択的に１．８％の過熱が適用された。
【０１０３】
実施例９に非常に類似の結果が得られた。結晶方位は垂直方向で［１１１］であった。本発明のこの態様も非常に好ましい。
【０１０４】
別の実験では圧力が０．５〜５ｂａｒのＣＯ２が使用された。それぞれの場合、Ｉｎ２Ｏ３の単結晶が得られた。しかしながら、より低い圧力の場合のより高い分解速度と、（浮上力に抗して働く）過圧の場合のより小さい浮上力に起因して、実施例６、９及び１０に比べて、典型的にはＩｎ２Ｏ３出発物質の１０〜２５重量％であるより小さいＩｎ２Ｏ３単結晶が得られた。図６Ｄ及び６Ｅに示すように、１０ｋＨｚの発生器周波数並びに別のるつぼ形状を使用する別の実験でも、良好で大きいＩｎ２Ｏ３単結晶が得られた。
【０１０５】
成長ランのためのプロセス時間は、液状のＩｎ２Ｏ３出発物質の保持時間（すなわち溶融時点と結晶化時点との間の時間）に依存して、典型的には７ｈ〜２０ｈである。分解曳いては蒸発に起因する質量損失は、典型的にはＩｎ２Ｏ３出発物質の２０重量％〜４０重量％である。したがって単結晶重量は、Ｉｎ２Ｏ３出発物質の残留重量に制限され、典型的には、るつぼ寸法を含むサーマルシステム寸法と、成長条件とに依存してＩｎ２Ｏ３出発物質の１０〜５０重量％である。上述の例は４０ｍｍ直径のイリジウムるつぼに関するにもかかわらず、当業者は、るつぼ曳いてはサーマルシステム又はその特定の構成要素は、本開示の同一の教示を使用して拡大（又は縮小）できることを理解するであろう。
【０１０６】
本発明に係る上述の方法及び装置を使用して、真にバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶が得られた。成長したＩｎ２Ｏ３単結晶は、暗褐色である。これは、分解プロセスの間に融液中に形成される僅かに過剰な金属インジウムに起因している。すなわち、金属インジウムはナノクラスター及びミクロクラスターを形成し、ナノクラスター及びミクロクラスターに起因して可視領域内である程度の吸収が生じているのである。このような吸収は、後述のように、適切な熱処理により容易に除去することができる。成長したＩｎ２Ｏ３単結晶の電気特性は、インジウムーガリウム抵抗接点を使用して、ホール効果測定により得ることができる。このような電気特性を、表１に記載する。
【０１０７】
【表１】
2015515441.tif 000006
【０１０８】
溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶(melt grown bulk In2O3)は、適切な焼鈍雰囲気と組み合わせて酸化又は還元を生じさせる１つ以上の熱処理と、固体状のＩｎ２Ｏ３単結晶内の拡散プロセスとにより、広い範囲内で調整できる。融液からの結晶成長プロセスは非常に高い温度（約１９５０〜２０００℃）にて進行するため、主にＩｎ２Ｏ３の分解によりある特定の内部欠陥が形成されることとなる。このような内部欠陥には、格子間インジウム及び／又はインジウムナノクラスター又はインジウムミクロクラスター及び酸素空格子点及び／又はそれらのクラスターなどがある。欠陥は、準安定性に見える。したがって、欠陥は、熱処理に敏感である。溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の内部欠陥は、少なくとも部分的には材料特性に起因する。このため、Ｉｎ２Ｏ３単結晶の電気特性及び光学特性は、広い範囲内で変更できる。
【０１０９】
融液から得られたバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の熱処理は、（例えば、酸素、空気、二酸化炭素等の）酸化焼鈍雰囲気及び／又は（希ガス、窒素等の）中性焼鈍雰囲気及び／又は真空及び／又は（水素又はアンモニア等の）還元焼鈍雰囲気中で行うことができる。
【０１１０】
溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の電気抵抗率は、非常に正確な調整で増加させることができる。これは、非還元焼鈍雰囲気(すなわち中性又は酸化）中での第１の熱処理により、結晶厚さに依存して４００℃〜１４００℃の温度と、０．２５ｈ〜３００ｈに亘る時間とで１００倍まで増加させることができる。対応する自由電子濃度は、抵抗率が増加すると共に、同様の仕方で減少する。代替的に、電気抵抗率（そして対応する自由電子濃度）の調整は、焼鈍時間を変えるだけで、固定温度で行うことができる。第１の熱処理は、同一の又は異なる雰囲気（例えば酸化雰囲気の後に中性雰囲気）中で２つ以上の別々のステップで行うことができる。
【０１１１】
本発明に係る溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の広い範囲の電気特性は、４００℃〜１４００℃の温度で非還元雰囲気（すなわち酸化又は中性）中での第１の熱処理の後に得ることができる。このような電気特性を、表２に記載する。
【０１１２】
【表２】
2015515441.tif 000007
【０１１３】
上述のように、非還元雰囲気中の第１の熱処理により、電気抵抗率が上昇する。例えば、透明導電性電極等のいくつかの用途では、電気抵抗率はできるかぎり小さくなければならない。本発明では、複数の、例えば２重又は３重の熱処理により溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の電気抵抗率を、低くすることができる。第１の熱処理は、褐色の着色を除去するために非還元雰囲気中で行わなければならない。また、第２の熱処理は、サンプル厚さ及び温度に依存して、２００℃〜１２００℃の温度と０．２４ｈ〜１００ｈに亘る焼鈍時間との条件下で行う。第２の熱処理も、同一の又は異なる雰囲気（例えば（ｘ）Ｈ２＋（１−ｘ）Ａｒ、ただしｘは０．０１〜０．０５で変化する）中で１つ以上の別々のステップで行うことができる。このようにしなければ、結晶品質が分解に起因して劣化することとなる。
【０１１４】
第１の熱処理（非還元焼鈍雰囲気）及び第２の熱処理（水素含有雰囲気）の後のバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の電気特性を、表３に記載する。
【０１１５】
【表３】
2015515441.tif 000008
【０１１６】
本発明に係る溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶は、１つ以上の適切な熱処理だけで、非常に広範囲で電気特性を変える（調整する）高い能力を有する。このようにして、実質的に１０００倍内で電気抵抗率及び自由電子濃度を変更できる。更にその際に、可視及び近赤外線（ＩＲ）スペクトル内で、良好な透明性を維持することができる。それぞれの場合、透過の遮断波長は、４４０±１０ｎｍであり、１つ以上の熱処理によって非常に鋭い吸収エッジが得られる。このエッジを超えると、バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶は、可視及び近赤外線スペクトルに亘り透明である。
【０１１７】
なお、本発明に係る溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶は、１以上の元素により意図的にドープして、電気特性及び光学特性を更に変更する及び／又は例えば強磁性などのその他の特性を誘発することができる。ドーピングは、上述の成長法及び装置を使用しながら、酸化物の形で所望の元素をＩｎ２Ｏ３出発物質に加えることにより、行うことができる。ドーピングは、１回でだけのことも複数回のこともある。ドーパント濃度は、約１０−５ｍｏｌ％〜約１０ｍｏｌ％で変化することもある。自由電子濃度を約１０２０〜１０２１／ｃｍ３まで増加させるために、バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶は、好ましくは、例えばスズ（Ｓｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、アンチモン（Ｓｂ），チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ），ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）などのＩｎ３＋イオンを置換する１つ以上の４＋、５＋及び６＋金属又は非金属イオンによりドープされるが、これらの例に制限されない。他方で、自由電子濃度を減少させるために又はｐ型導電性を得るために、バルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶は、好ましくは、例えばリチウム（Ｌｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）及び亜鉛（Ｚｎ）などのＩｎ３＋イオンを置換する１つ以上の１＋又は２＋金属又は非金属イオンによりドープされるが、これらの例に制限されない。また、他方で、酸素イオンＯ２−は、自由電子濃度を増加させために、例えばフッ素（Ｆ），塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）及びヨウ素（Ｉ）などの１−非金属イオンにより置換することができる。ドーパントの大部分は、酸化物の形でＩｎ２Ｏ３出発物質に加えることができる。更に、ガス状ドーパントは、成長雰囲気中で供給できる。
【０１１８】
溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶には、電気特性に加えて、強磁性特性を付与することができる。これは、約１０−６ｍｏｌ％〜約１０ｍｏｌ％の濃度でＦｅ、Ｃｏ，Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒのうちの１つ以上の元素により、溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶をドープすることにより実現することができる。その際、これらの元素は、酸化物の形でＩｎ２Ｏ３出発物質に加えられる。
【０１１９】
本発明に係る溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶は、高い構造品質を有している。これは、ロッキングカーブ測定（半値全幅は１００逆セカントより小さく、典型的には、２０〜６０逆セカント）、中性子回折及び高分解能透過電子顕微鏡法により、確認することができる。本発明に係る溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の化学的安定性と組み合わせた高い構造品質は、バルク状多結晶から作られた基板のための基本的な規準である。溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶の化学的安定性は、熱重量分析測定値に対する異なる雰囲気及び温度により確認した。溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶は、非還元雰囲気では約１２００〜１３００℃まで、真空では約１０００℃まで、そして高還元雰囲気では約６００℃まで化学的に安定している（すなわち分解しない）。
【０１２０】
溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶から作られた基板は、ウエハリング及び高品質研磨の後、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）、スパッタリング、電子ビーム蒸着等の一つのエピタキシャル技術に使用できるが、これらの例に制限されない。溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶から作られた基板は、例えば化学蒸気輸送（ＣＶＴ）、物理蒸気輸送（ＰＶＴ）等のその他の成長技術のための種として使用できるが、これらの例に制限されない。
【０１２１】
エピタキシャル薄膜では、溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶は、（Ｉｎ２Ｏ３薄膜又は薄層の蒸着のための）ホモエピタキシー及び（その他の物質の蒸着のための）へテロエピタキシーの両方に対して使用できる。へテロエピタキシーの場合、Ｉｎ２Ｏ３基板は、酸化物化合物並びに例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどの窒化物に使用できるが、これらの例に制限されない。
【０１２２】
本発明に係る溶融成長したバルク状のＩｎ２Ｏ３単結晶は、例えばフラットパネルディスプレイ及び光電圧用途のための透明電極、発光ダイオード、固体レーザ、エネルギー効率の良い窓、（ＭＩＳＦＥＴ及びＭＯＳＦＥＴなどの）透明電界効果トランジスタ、ショットキダイオード及び高温ガスセンサ（電気特性は酸化及び還元条件に応じて変化する）など並びにマルチフェロイック用途及び(例えば基板としの）スピントロニクス用途に使用できるが、これらの例に制限されない。
【０１２３】
本発明に係る方法及び装置は、その他の導電性及び半導電性酸化物であって、温度上昇と共に分解してそれらの導電性を増加させ、液相が浮上されるのを可能にする酸化物の単結晶を成長させるためにも適している。このような物質の例としては、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＣｄＯ、ＳｎＯ２、Ｇａ２Ｏ３、又はそれらの化合物があるが、これらの例に制限されない。溶融物質の高い導電性が電磁浮上に必要であるため、これらの物質は、本発明の教示に係るＩｎ２Ｏ３と比べて、異なる成長条件、すなわち異なる酸素分圧、温度勾配、発生器周波数、るつぼの壁厚等を必要とするであろう。
【０１２４】
様々な実施例に示された動作条件、配置及び方法及び装置の設計は、例示的なものにすぎない。本発明の例示的な実施例が、この開示で詳細に説明されたが、当業者は、特許請求の範囲に記載の事項の新規な教示及び利点から実質的に逸脱することなく、例えば様々な構成要素の寸法、諸元、構造、形状及び釣り合い、パラメータの値、取り付け配置、材料の使用、方位などを変化させるなどの多くの変更が可能であることを容易に理解するであろう。したがって、全てのこのような変更は、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲内に含まれるものとする。その他の置換、変更、変化及び省略が、本発明の範囲から逸脱することなしに、好ましい及びその他の例示的な実施例の設計、動作条件及び配置に関して行うことができる。
【符号の説明】
【０１２５】
１：結晶成長装置
２：成長チャンバ
３：サーマルシステム
４：サーマルシステム３のための貴金属製のるつぼ
５：サーマルシステム支持体
６：無線周波数誘導コイル
７：無線周波数発生器
８：制御ユニット
９：サーマルシステム３のるつぼ断熱材
１０：サーマルシステム３のカバー
１１：蓋１２の排出通路
１１．１：頂部断熱材１３の排出通路
１２：カバー１０の蓋
１３：カバー１０の頂部断熱材
１４：高温計
１５：高温計ディスプレイユニット
１６：成長チャンバ２の目視窓
１７：サーモカップル
１８：サーモカップルディスプレイユニット
１９：秤量ユニット
２０：秤量ディスプレイユニット
２１：成長雰囲気
２２、２２．１：蓋１２の開口／排出通路
２３：Ｉｎ２Ｏ３出発物質
２３．１：Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３の頂部
２３．２：Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３の底部
２４：るつぼ壁
２６：Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３の首部
２７：Ｉｎ２Ｏ３出発物質２３のガス状の分解生成物
２８．１：頂部単結晶
２８．２：底部単結晶
２９：首部結晶
３０：頂部及び底部単結晶２８．１及び２８．２の自由空間
１０３：サーマルシステム
１０４：サーマルシステム１０３の貴金属製のるつぼ
１０６：無線周波数誘導コイル
１０６．１、１０６．２：コイル巻きの層
１０６．３、１０６．４：別々の誘導コイル
１０９：サーマルシステム１０３のるつぼ断熱材
１０９．１：るつぼ断熱材１０９の外側アルミニウム管
１０９．２：るつぼ断熱材１０９のジルコニウム粒
１１０：サーマルシステム１０３のカバー
１１１、１１１．１：蓋１１２の排出通路／開口
１１１．３：蓋１１２とるつぼ１０４の頂部エッジとの間の側面開口
１１１．４：頂部断熱材１１３の水平板排出チャネル
１１１．５、１１１．６：頂部断熱材１１３の垂直排出チャネル
１１２：カバー１１０の蓋
１１３：カバー１１０の頂部断熱材
１２４：るつぼ壁
１２４．１：円筒形のるつぼ壁
１２４．２：樽状のるつぼ壁
１２４．３：円筒形及び部分的に樽状のるつぼ壁
１２４．４：台形るつぼ壁
１２５：るつぼ底部
１２５．１：平らなるつぼ底部
１２５．２：球状るつぼ底部
１２５．３：円錐形るつぼ底部
１３１：サーマルシステム１０３のアフターヒータ
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ：温度プロファイルの領域
【図３】
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【図１】
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【図２】
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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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【国際調査報告】
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