(57)【要約】  【課題】  ＦＺ法による単結晶の育成方法では、溶融帯の形状に起因して溶融帯を長くする必要があるが、その場合には溶融帯から溶融した原料が垂れ落ちてしまうため、大口径の単結晶の育成が困難であった。  【解決手段】  誘導加熱コイル４で原料棒６を部分的に誘導加熱して溶融帯７を形成し、この溶融帯７を移動させながら、溶融帯７の上下の端部においてそれぞれ溶融および凝固を順次行なうことにより単結晶８を成長させるＦＺ法による単結晶の育成方法において、原料棒６を、その表面に長さ方向に連続した複数の突起部６ａを有するものとした単結晶の育成方法である。原料棒６の上端を中心部から溶融することができ、それによって原料棒６の上端をいわゆるお椀形にして溶融帯７を安定化することができ、さらに溶融帯７を短くすることができるので、大口径の単結晶８を育成することができる。【選択図】  図１
2005139041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導加熱コイルで原料棒を誘導加熱して溶融帯を形成し、該溶融帯を移動させながら、溶融帯の上下の端部においてそれぞれ溶融および凝固を順次行なうことにより単結晶を成長させるＦＺ法による単結晶の育成方法において、前記原料棒は、その表面に長さ方向に連続した複数の突起部を有することを特徴とする単結晶の育成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＺ法（フローティング・ゾーン法；浮遊帯域溶融法）を用いて、大口径で高品質の単結晶を安定して得ることができる単結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属や半導体の単結晶を育成する際に、高純度を要求される場合には、または、育成する単結晶が高融点のため、結晶融液と反応しない材質から成る適当な坩堝が無い場合には、誘導加熱コイルを用いるＦＺ法が用いられている。
【０００３】
ＦＺ法においては、まず、単結晶を得ようとする材料から成る多結晶の円柱状の原料棒を下部シャフトに固定し、種結晶を上部シャフトに固定する。そして、誘導加熱コイルにより原料棒の上端を加熱溶融してから上部および下部シャフトを動かして原料棒の溶融した上端を種結晶と接合させ、原料棒の上端部に適当な長さの溶融帯が形成された後、上部および下部シャフトを互いに反対方向に回転させながら上方に移動させる。これにより、溶融帯を原料棒の上端部から下端に向けて移動させて、溶融帯の移動につれて単結晶を成長させる。
【０００４】
導電性の結晶材料を高周波加熱で引き上げるＦＺ法では、電磁誘導による浮揚力が溶融帯において原料の融液を誘導加熱コイルの中央に押しやるように働くため、溶融帯の維持が表面張力にだけ依存している場合よりは、比較的結晶径を大きくすることができる。
【特許文献１】特開2002−249393号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、誘導加熱コイルによる誘導加熱では、多くの場合、誘導磁場が原料棒，溶融帯および単結晶に浸透する深さ、つまり表皮厚が、それぞれの径に比較して極端に薄いため、原料棒，溶融帯および単結晶の表面近傍のみが加熱されることとなり、原料棒および単結晶は表面から溶解することとなる。そのため、図５に従来の単結晶の育成方法における溶融帯近傍の様子を縦断面図で示すように、原料棒36と溶融帯37との界面46および単結晶38と溶融帯37との界面45の形状は、溶融帯37に対して中央で溶融帯37側に凸となった凸型の形状となる。
【０００６】
したがって、溶融帯37の内部で単結晶38の先端（単結晶38の下端）と原料棒36の先端（原料棒36の上端）とが接触しないためには、両者がいずれも凸型の形状であることから溶融帯37を長くとる必要があり、これにより、溶融帯37において下方の静水圧が増加し、ついには溶融帯37が原料棒36から垂れ落ちてしまうため、単結晶の育成の続行が困難になり、大型の単結晶が育成できないという致命的な問題点があった。
【０００７】
本発明は以上のような従来の技術の問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、大口径の単結晶を容易にかつ安定して提供できる単結晶の育成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の単結晶の育成方法は、誘導加熱コイルで原料棒を誘導加熱して溶融帯を形成し、この溶融帯を移動させながら、溶融帯の上下の端部においてそれぞれ溶融および凝固を順次行なうことにより単結晶を成長させるＦＺ法による単結晶の育成方法において、前記原料棒は、その表面に長さ方向に連続した複数の突起部を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の単結晶の育成方法によれば、原料棒の形状をその表面に長さ方向に連続した複数の突起部を有する棒状にしたことから、原料の周方向の厚みを薄くした突起部ではその表面で誘導加熱を行なうための渦電流が互いに逆方向となって打ち消し合うために渦電流がほとんど流れなくなり、原料棒の外周表面に配置された突起部では自己発熱はしないため、突起部は自己的には溶融しなくなる。これに対し、原料棒の棒状の中央部（本体部）では、従来の単結晶の育成方法と同様に、渦電流が円周状に周回し、そのジュール発熱により原料棒の本体部は自己的に溶融する。このようにまず中央部（棒状の本体部）を高温に加熱して溶融させ、その熱を原料棒の周辺部（複数の突起部）に伝導させることで、これら複数の突起部は間接的に溶融させることができる。この結果、原料棒の上端部は端面部分の形状が下に凸となって、いわゆるお椀状の形状となり、原料棒と溶融帯との界面の形状はその中央で下に凸となるので、溶融した原料が溶融帯から垂れ落ちることを有効に防止することができる。
【００１０】
また、原料棒の表面において隣接する突起間では、溶融した原料が表面張力により保持されるので、原料棒と溶融帯との界面の形状を下に凸とすることができるとともに、安定してその形状を保つことができる。このようにして形成された溶融帯は、溶融帯の下方の原料棒との界面の中央部が下側、すなわち、原料棒側に凸になることにより、溶融帯の内部で上方の単結晶の先端と下方の原料棒の先端とが接触しないようにするために設定される溶融帯の長さを短くすることができ、溶融帯の高さを小さくできることによって、溶融帯の下方に働く静水圧を低くすることができるので、これによっても溶融した原料が溶融帯から垂れ落ちることを有効に防止することができる。
【００１１】
これらの結果、本発明の単結晶の育成方法によれば、引き上げる単結晶の寸法を大きくして溶融帯が大きくなっても、溶融帯から溶融した原料が垂れ落ちることがなくなるので、大型の単結晶を安定して引き上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の単結晶の育成方法について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明の単結晶の育成方法の実施の形態の一例を示す縦断面図である。
【００１４】
図１には本発明の単結晶の育成方法を実施する育成装置の例についてその縦断面図を示しているが、これによると、本発明の単結晶の育成方法に用いる育成装置では、密閉可能な耐圧容器12中にて単結晶の育成を行なう。耐圧容器12は、耐圧容器12内の空間13にて数気圧の不活性ガス雰囲気において単結晶の育成が可能なように設計されている。６は原料棒であり、その誘導加熱には誘導加熱コイル４が使用される。この例の誘導加熱コイル４は、水冷銅管が水平面に渦巻き状に捲回されて構成され、その誘導加熱コイル４の中心部が、原料棒６が挿通される貫通穴を形成し、耐圧容器12内に配置されている。
【００１５】
誘導加熱コイル４の上下には、耐圧容器12外に配置された昇降可能な上軸駆動部１および下軸駆動部９と、それぞれの駆動部１および９から伸びて耐圧容器12を気密にかつ回転および上下移動可能に貫通する上軸２および下軸10と、これら上軸２および下軸10にそれぞれ固定された上ホルダー３および下ホルダー11とが配置され、上ホルダー３と下ホルダー11との間で、誘導加熱コイル４の中心部を貫通する原料棒６の端部が握持される。そして、上軸駆動部１と下軸駆動部９とは、個別に上下移動可能に制御される。
【００１６】
溶融帯７の操作については、下ホルダー11に原料棒６の下端側を握持させ、その上端（図１中では既に単結晶８になった部分を図示している。）を上ホルダー３に握持された種結晶５の下端に接触させて、かつその接触部を誘導加熱コイル４の中心にある貫通穴の中央に位置させた後、誘導加熱コイル４に高周波電力を印加して誘導磁場を生じさせ、それによって発生するジュール熱により、種結晶５と接触させた原料棒６の上端部を局部的に加熱溶融して溶融帯７を形成する。このようにして形成された溶融帯７に下方より原料棒６を順次送り込み、溶融帯７の上方に単結晶８を順次成長させる。
【００１７】
図２は本発明の単結晶の育成方法の実施の形態の一例における原料棒６の横断面を示す横断面図である。
【００１８】
本発明の単結晶の育成方法において用いる原料棒６としては、図２にその横断面を示すように、中央に位置する棒状の原料の本体部６ａの表面に、長さ方向に連続した突起部６ｂを周方向に複数形成して配置した形状であることが重要である。このような原料棒６を用いた場合の原料棒および誘導コイル近傍における磁束および渦電流の様子を示す原理説明図を図３に示す。
【００１９】
図３は、本発明の単結晶の育成方法における原料棒６および誘導コイル４の部分を取り出した横断面において、誘導コイル４に流れる電流Ｉ，誘導コイル４の内側に発生する磁束Ｂ，原料棒６の本体部６ａの表面に流れる渦電流Ｊ，原料棒６の突起部６ｂに流れる渦電流Ｊ’の様子を表した原理説明図である。図３に示すように、誘導コイル４に交流電流Ｉを流すことで、誘導コイル４の内側には磁束Ｂが発生する。図３に示すように、誘導コイル４に流す交流電流Ｉが左回りのときには、紙面の奥側から手前側に磁束Ｂが発生する。誘導コイル４に流れる交流電流Ｉが時間的に変化すれば、誘導コイル４の内部の磁束Ｂも変化する。これに対し、導電性のある原料棒６には、この磁束Ｂの変化を打ち消そうとする方向に渦電流ＪおよびＪ’が生じるため、原料棒６に流れる渦電流Ｊ，Ｊ’の位相は、誘導コイル４に流れる交流電流Ｉと逆位相となる。本発明の単結晶の育成方法における原料棒６では、原料棒６の本体部６ａの表面に長さ方向に連続した複数の突起部６ｂを設けており、中央部の本体部６ａが棒状であり、周辺部に突起部６ｂを有する原料棒６としたことから、原料の周方向における厚みを薄くした突起部６ｂでは、その表面で渦電流Ｊ’が互いに逆方向となって打ち消し合い、突起部６ｂには全体として渦電流Ｊ’がほとんど流れなくなる。その結果、原料棒６の外周部の突起部６ｂでは、渦電流Ｊ’のジュール発熱による自己発熱は起こらず、突起部６ｂは自己的には溶融しなくなる。一方、原料棒６の本体部６ａでは、従来の単結晶の育成方法と同様に、渦電流Ｊが円周状に周回し、そのジュール発熱により原料棒６を中央部から自己的に溶融する。このようにまず中央部（本体部６ａ）を高温にして溶融させ、その熱を原料棒６の本体部６ａから周辺部（突起部６ｂ）に伝導させることで、間接的に突起部６ｂを溶融させることができる。
【００２０】
このようにして溶融させた原料棒６について、図４に本発明の単結晶の育成方法における溶融帯近傍の様子を示す要部斜視図を示す。図４からも分かるように、原料棒６は、棒状の本体部６ａが高温となり、その中央部から溶融が始まるため、原料棒６の上端部における溶融帯７との界面の形状は、下に凸となった、いわゆるお椀状の形状となる。したがって、溶融帯７の形状は、原料棒６の中央で下に凸となり、溶融した原料が溶融帯７から垂れ落ちることを有効に防止することができる。また、原料棒６の隣接する突起部６ｂ間では、溶融した原料が表面張力により保持され、安定してその形状を保つことができる。このようにして形成された溶融帯７は、溶融帯７の下方の原料棒６との界面の中央部が下側、すなわち原料棒６側に凸になり、これにより溶融帯７の内部で上方の単結晶８の先端と下方の原料棒６の先端とが接触しないようにするために設定される溶融帯７の長さを短くすることができ、溶融帯７の高さを小さくできることにより、溶融帯７の下方に働く静水圧を低くすることができるので、これによっても溶融した原料が溶融帯７から垂れ落ちることを有効に防止することができる。これらの結果、本発明の単結晶の育成方法によれば、引き上げる単結晶８の寸法を大きくして溶融帯７が大きくなっても、溶融帯７から溶融した原料が垂れ落ちることがなくなるので、大型の単結晶８を安定して引き上げることができる。
【００２１】
以上のような本発明の単結晶の育成方法に用いる原料棒６を得るには、原料粉末に結合材として例えば少量の樟脳を加え、ラバープレス等により加圧して、長さ方向に連続した複数の突起部を有する棒状の圧粉体棒を作製する。好ましくは、この圧粉体棒を真空中あるいは不活性ガス中で千数百度に加熱して焼結させて、所望の濃度分布で不純物が配合された原料棒６を作製する。
【００２２】
このようにして作製した原料棒６を用いて、図１に示すように育成装置内に、前述のように、原料棒６の下端を下軸10に下ホルダー11を介して固定し、その上端を上軸２にホルダー３を介してセットされた種結晶５に接触させて配置する。
【００２３】
次に、種結晶５に接触させた原料棒６の上端を誘導加熱コイル４の誘導加熱により溶融させて溶融帯７を形成し、上軸２と下軸10とを、単結晶８の育成速度および原料棒６の溶融速度に応じて、ゆっくり上方に移動させて、溶融帯７の下部で原料棒６を順次溶融させ、上部で順次凝固させて、溶融帯７の上方に単結晶８を継続的に育成する。
【００２４】
このとき、原料棒６は、渦電流が流れる棒状の本体部６ａのある中央部が高温となり、突起部６ｂのある周辺部は渦電流が流れず発熱しないために比較的低温となり、原料棒６の上端は中央部から溶融する。その結果、原料棒６の上端は中央部が下に凸のいわゆるお椀形の形状となり、溶融した原料を溶融帯７内に安定に保つことができることとなる。なお、隣接する突起部６ａの間では、溶融した原料の表面張力によりその形状を安定に保つことができる。さらに、原料棒６の上端において、原料棒６の先端中央部が下に凸のお椀形になり、従来の育成方法におけるように上方に凸状に尖らないため、これが溶融帯７内で単結晶８の下端と当ることはないので、溶融帯７の高さ方向の寸法（長さ）を小さくすることができ、溶融帯７の下部における静水圧を低くして溶融した原料が溶融帯７から垂れ落ちることを防止することができるので、大型の単結晶８を安定して製造することができる単結晶の育成方法となる。
【００２５】
本発明の単結晶の育成方法における原料棒６の突起部６ａは、原料棒６の表面の渦電流を打ち消す作用があれば、特に、その形状に制限があるものではない。その横断面の形状は、矩形状，扇形状，半楕円形状，三角形状，多角形状等、そのいずれであってもよい。
【００２６】
また、本発明の単結晶の育成方法における原料棒６の突起部６ａの厚みについても特に制限があるものではないが、図４に示すように原料棒６の突起部６ａの厚みをｄとして、誘導コイル４に加える交流電流Ｉの周波数をｆ、原料棒６の透磁率をμ、原料棒６の導電率をｇとすれば、原料棒６の表皮厚δは近似的に次式（１）で与えられる。
【００２７】
δ＝√（１／πｆ×ｇ×μ）・・・（１）
これに対し、突起部６ａの厚みｄは、次式（２）に示す範囲が望ましい。
【００２８】
0.5〔ｍｍ〕≦ｄ≦1.5δ〔ｍｍ〕・・・（２）
これは、突起部６ａの厚みｄが1.5δよりも大きくなると、突起部６ａでの渦電流Ｊ’の打ち消し作用が弱まり、渦電流Ｊ’が無視できない大きさになり、突起部６ａの自己発熱により突起部６ａが溶融する可能性があるからである。また、突起部６ａの厚みｄが0.5〔ｍｍ〕以下では、加工が困難であり、破壊しやすくなるからである。よって、突起部６ａの厚みｄは、0.5〔ｍｍ〕≦ｄ≦1.5δ〔ｍｍ〕の範囲が好ましい。
【００２９】
さらに、本発明の単結晶の育成方法における原料棒６の突起部６ａの高さについても特に制限があるものではないが、図４に示すように原料棒６の突起部６ａの高さをｌとすれば、次式（３）に示す範囲が望ましい。
【００３０】
1.0〔ｍｍ〕≦ｌ≦40〔ｍｍ〕・・・（３）
これは、突起部６ａの高さｌが1.0〔ｍｍ〕より小さければ、突起として機能せずに原料棒６は外周部から溶融してしまい、また、40〔ｍｍ〕より大きくなれば突起部６ａの先端が溶融しない場合が生じるからである。よって、突起部６ａの長さｌは、1.0〔ｍｍ〕≦ｌ≦40〔ｍｍ〕の範囲が望ましい。
【００３１】
また、本発明の単結晶の育成方法における原料棒６の本体部６ａの形状は、円柱状，四角柱状，多角柱状，筒状等のいずれであってもよく、その形状は特に制限があるものではなく種々の応用が可能である。例えば、八角柱状の本体部６ａの８個の各辺に、それぞれ突起部６ａを設け、合計で８個の突起部６ａを形成しても構わない。
【００３２】
また、本発明の単結晶の育成方法では、原料棒６の突起部６ａの本数についても特に制限があるものではなく、種々の本数に選定することが可能である。例えば、突起部６ａの厚みｄが薄い場合には、多数の突起部６ａを設ける方が望ましい。これは、突起部６ａの厚みｄを薄くすれば、隣接する突起部６ａ間の間隔が広がるため、溶融した原料が溶融帯７から落下するのを防ぐためには、突起部６ａの本数を増やす方が有利だからである。このように、溶融した原料の粘度や突起部６ａの厚みｄ等に応じて、最適な突起部６ａの本数を選定することが可能である。
【実施例】
【００３３】
本発明の単結晶の育成方法に用いる原料棒を、次のようにして作製した。ＺｒＢ２とＣｒＢ２との混合粉を圧縮し、中心部は外径が40ｍｍ，長さが800ｍｍの円柱形で、その外周部に高さが10ｍｍ，幅が２ｍｍ，長さが800ｍｍの長さ方向に連続した突起部を22.5°間隔で16個設け、長さを800ｍｍとした突起部を有する棒状の粉末棒に圧縮し、これを1400℃で焼結して、長さ方向に連続した16個の突起部を有する棒状の原料棒を作製した。
【００３４】
この突起部を有する棒状の原料棒を用いて、誘導加熱型のＦＺ装置で、入力52ｋＷの高周波電力を投入して突起部を有する棒状の原料棒の先端部を溶融し、この溶融部に種結晶を接続して溶融帯を形成した。その溶融帯は、垂れ落ちることなく、安定していた。その後、溶融帯を20ｍｍ／ｈの速度で移動させて、口径45ｍｍの円筒形の単結晶を作製したところ、溶融帯から溶融した原料が垂れ落ちることはなく、最後まで良好な円柱状の単結晶を育成することができた。この育成された単結晶を観察した結果、双晶や多結晶がなく、全体にわたって単結晶が生成された良好な特性であった。
【００３５】
一方、比較例として、ＺｒＢ２とＣｒＢ２との混合粉を圧縮し、外形が50ｍｍ，長さが800ｍｍの円柱形の粉末棒に圧縮し、これを1400℃で焼結して、突起部の無い円柱形の原料棒を作製した。
【００３６】
この比較例としての円柱状の原料棒を用いて、同様に、誘導加熱型のＦＺ装置で、入力52ｋＷの高周波電力を投入して形成した溶融帯を20ｍｍ／ｈの速度で移動させて、口径45ｍｍの単結晶を作製しようとしたところ、溶融帯の下部から溶融した原料が垂れ落ちてしまい、単結晶を引き上げることができなかった。
【００３７】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更を加えることは何ら差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の単結晶の育成方法の実施の形態の一例を示す縦断面図である。
【図２】本発明の単結晶の育成方法の実施の形態の一例における原料棒の横断面図である。
【図３】本発明の単結晶の育成方法の実施の形態の一例における原料棒および誘導コイル近傍における磁束および渦電流の様子を示す原理説明図である。
【図４】本発明の単結晶の育成方法の実施の形態の一例における溶融帯近傍の様子を示す要部斜視図である。
【図５】従来の単結晶の育成方法における溶融帯近傍の様子を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・上軸駆動部
２・・・上軸
３・・・上ホルダー
４・・・誘導加熱コイル
５・・・種結晶
６・・・原料棒
６ａ・・・本体部
６ｂ・・・突起部
７・・・溶融帯
８・・・単結晶
９・・・下軸駆動部
10・・・下軸
11・・・下ホルダー
12・・・耐圧容器
13・・・容器内空間
【図１】
2005139041.tif 000003
【図２】
2005139041.tif 000004
【図３】
2005139041.tif 000005
【図４】
2005139041.tif 000006
【図５】
2005139041.tif 000007