(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体材料の結晶育成を行う炉体であって、
炉体内部が２つの分室から構成され、
固体材料を載せるための試料台を有し、
装置外部から気体冷媒を導入するための冷却管が設けられ、
当該炉体内部に加熱手段が備えられ、当該固体材料の一部を冷却することができる冷却手段が設けられており、
当該冷却手段が、当該冷却管の開口部から当該試料台の一部又は全部に気体冷媒を当てることにより冷却する手段である、
ことを特徴とする結晶育成装置。
【請求項２】
加熱手段として、固体材料の一部を加熱できる局部加熱手段を有する請求項１記載の結晶育成装置。
【請求項３】
試料台が、当該試料台の面に垂直な方向を軸として回転できる機構を有する請求項１又は２に記載の結晶育成装置。
【請求項４】
試料台が、当該試料台の面に垂直な方向に移動できる機構を有する請求項１〜３のいずれかに記載の結晶育成装置。
【請求項５】
試料台が、当該試料台の面に平行な方向に移動できる機構を有する請求項１〜４のいずれかに記載の結晶育成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結体等の結晶育成を行うための装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、半導体等に使用される単結晶材料を育成する方法として、チョクラルスキー法（溶融成長法）が盛んに利用されている。レーザー分野に使用される材料においても、上記方法により単結晶が製造されている。
【０００３】
このような方法で単結晶を製造する場合、溶融した結晶材料（原料）を使用するため、結晶材料の融点よりも高い温度まで加熱できる設備が求められる。それと同時に、坩堝も、結晶材料の融点よりも高い材質を使用しなければならい。実際上、坩堝材として高価なイリジウムが使用され、加熱装置として高周波誘導加熱式装置が使用されている。このため、上記方法では、設備の高額化を避けることは不可能である。
【０００４】
また、結晶育成する工程では、引き上げ装置の先端に種結晶を取り付け、溶融体の表面にちょうど触れるように注意深く吊される。種のついた引き上げ棒はゆっくり回転し、垂直に上昇する。そして、溶融温度・引き上げ温度の条件がうまく合致すれば、溶融体の表面から結晶は成長し、種結晶の上に少しずつ育成されていく。この場合の育成時間は、結晶材料の種類等によって異なるが、例えば光学材料では育成速度０．１〜０．５ｍｍ／ｈｒと極めて遅く、１本の単結晶の育成期間が数週間から数ヶ月に及ぶケースも希でなく、また育成炉１機に対して１本のインゴットしか出来ない欠点がある。そのため、上記方法は生産性が低く、大量生産又は大型の単結晶の製造に適合するプロセスとは言い難いため、単結晶材料は高価となり産業上の利用範囲の制約がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、従来の溶融法と比較して効率的に結晶成長を行うことができる結晶育成装置を提供することを主な目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来技術の問題に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、特定の構成からなる装置が上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は、下記の結晶育成装置に係る。
【０００８】
１．固体材料の結晶育成を行う炉体であって、炉体内部に加熱手段が備えられ、当該固体材料の一部を冷却することができる冷却手段が設けられていることを特徴とする結晶育成装置。
【０００９】
２．冷却手段が、１）固体材料の一部及び／又は２）固体材料に接触した部材の一部又は全部に冷媒を当てることにより冷却する前記項１記載の結晶育成装置。
【００１０】
３．加熱手段として、固体材料の一部を加熱できる局部加熱手段を有する前記項１記載の結晶育成装置。
【００１１】
４．炉体内部が２つの分室から構成されている前記項１記載の結晶育成装置。
【００１２】
５．固体材料を載せるための試料台を有する前記項１記載の結晶育成装置。
【００１３】
６．試料台が、当該試料台の面に垂直な方向を軸として回転できる機構を有する前記項５記載の結晶育成装置。
【００１４】
７．試料台が、当該試料台の面に垂直な方向に移動できる機構を有する前記項５又は６に記載の結晶育成装置。
【００１５】
８．試料台が、当該試料台の面に平行な方向に移動できる機構を有する前記項５〜７のいずれかに記載の結晶育成装置。
【００１６】
９．装置外部から冷媒を導入するための冷却管が設けられ、冷却管の開口部から冷媒を１）固体材料の一部及び／又は２）固体材料に接触した部材の一部又は全部に当てるように構成された前記項１記載の結晶育成装置。
【００１７】
１０．装置外部から冷媒を導入するための冷却管が設けられ、冷却管の一部が固体材料又は固体材料に接触した部材に接触するように構成された前記項１記載の結晶育成装置。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の結晶育成装置は、固体材料の結晶育成を行う炉体であって、炉体内部に加熱手段が備えられ、当該固体材料の一部を冷却することができる冷却手段が設けられていることを特徴とする。
【００１９】
固体材料は、結晶育成が可能な固体であれば特に限定されない。従って、無機材料、金属(合金、金属間化合物等を含む。）、有機材料等のいずれで良い。また、固体材料は、粉末の成形体（圧粉体）、仮焼体、焼結体等のいずれであっても良い。また、結晶質・非晶質のどちらであっても良い。固体材料の形状は、限定的ではなく、所望の結晶形態等に応じて決定できる。例えば、単結晶を育成する場合等は、円錐形状の固体材料を用いることができる。
【００２０】
炉体の形式は特に限定されず、例えば公知の加熱炉（電気炉）における炉体のように、少なくとも固体材料の挿入口、固体材料を加熱又は冷却するための空間等があれば良い。
【００２１】
本発明装置では、炉体内部は、２つの分室（ゾーン）から構成されていることが好ましい。例えば、第一分室を高温室（結晶成長ゾーン）とし、第二分室を第一分室よりも低い温度に保つ低温室とすることにより、より効果的な結晶成長を行うことができる。この場合、例えば１）第一分室に加熱手段を設け、第二分室には加熱手段を設けないという組合せ、２）第一分室及び第二分室に加熱手段を設けるという組合せ等を適宜採用できる。
【００２２】
加熱手段は、公知の加熱手段と同様のものを採用できる。例えば、抵抗加熱、誘導加熱、マイクロ波等のような電気を熱源とするもの、ＬＰＧガス、プロパンガス等の気体燃料を熱源とするもの、重油、軽油、灯油等の液体燃料を熱源とするものが使用できる。また、レーザ、ランプ等も加熱手段として使用することができる。これらの加熱手段は、１種又は２種以上を組合せて使用することができる。
【００２３】
特に、固体材料の一部を加熱する場合には、上記の加熱手段（炉内雰囲気を均一に加熱にするための均熱化手段）のほかに、レーザ（単色光）、ランプ（白色光）等の局部加熱手段を好適に採用することができる。具体的には、波長０．２〜１１μｍ程度のレーザ、ハロゲン、赤外線、キセノン等のランプが例示できる。レーザ又はランプの出力は、対象となる固体材料の種類、目的とする結晶等に応じて適宜設定すれば良いが、通常は１Ｗ〜１０ｋＷ程度とすれば良い。局部加熱手段は、単独使用又は他の加熱手段と併用することができる。
【００２４】
加熱手段（局部加熱手段を含む。）の設置場所及び設置数は、装置の規模、所望の性能、加熱手段の種類等に応じて適宜設定すれば良い。例えば、炉内雰囲気全体を加熱する場合には、炉内の壁面、天井等に電気ヒーター、ガスヒーター等を加熱に必要な数だけ設置すれば良い。一般的には、炉内を育成物質の融点の９５％程度まで加熱できるのに十分な加熱手段を設置すれば良い。
【００２５】
本発明装置における冷却手段は、固体材料の一部を冷却することができる方法であれば特に限定されない。また、固体材料の一部を冷却できる限り、直接的な冷却又は間接的な冷却のいずれであっても良い。本発明装置では、特に、加熱されている固体材料の内部に所望の温度勾配を与えることができるように冷却できる手段であることが望ましい。
【００２６】
本発明装置では、冷却手段として、気体及び／又は液体の冷媒を用いることにより、固体材料の一部を直接的又は間接的に冷却することが望ましい。特に、１）固体材料の一部及び／又は２）固体材料に接触した部材の一部又は全部に冷媒を当てることにより冷却することが好ましい。
【００２７】
冷媒としては、空気、不活性ガス、二酸化炭素、窒素、酸素、水素等の気体、水、アルコール、シリコンオイル等の液体が例示される。これらは単独又は２種以上を組み合わせて適用することができる。特に、気体冷媒及び液体冷媒の併用も可能である。冷媒の流量は、冷媒の種類等に応じて適宜設定すれば良い。例えば、気体冷媒の場合は０．５〜５０Ｌ／ｍｉｎの範囲内で決定すれば良い。
【００２８】
固体材料の一部の冷却方法としては、例えば冷媒を固体材料に接触させることにより固体材料を直接的に冷却する方法、あるいは固体材料と接触する部材に冷媒を当てることによって固体材料を間接的に冷却する方法等が挙げられる。
【００２９】
上記部材としては、ヒートシンク材を用いることができる。ヒートシンク材としては、セラミックス、金属等の無機材料を使用できる。特に熱伝導性が高いものが好ましく、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以上の材料がより好ましい。また、冷却管に冷媒を循環させ、その冷却管を介して固体材料の一部を冷却することもできる。このような場合は、上記冷却管が上記部材に該当する。また、後記の試料台を用いる場合は、試料台に冷媒を当てることによって固体材料の一部を冷却することができる。
【００３０】
冷媒を使用する場合には、冷媒用の流路として、冷媒が流通できる冷却管等を使用することが好ましい。冷却管の形式、素材等は、冷媒の種類、所望の冷却能力等に応じて適宜設定できる。冷却管は、冷媒が炉内に流出できるような開口部を有するオープンシステム、冷媒が炉内に流出せずに循環するクローズドシステム等のいずれの形式も採用することができる。特に、液体冷媒の場合は、クローズドシステムを採用することが望ましい。
【００３１】
冷却管を採用する場合、冷却管の開口部が固体材料に向けられているような構成としても良い。気体冷媒の場合は、気体冷媒が固体材料に接触するようにしても良い。
【００３２】
本発明装置では、固体試料を載せるための試料台を設置しても良い。また、試料台として前記ヒートシンク材を用いることもできる。試料台の形状、材質等は、用いる固体材料の種類、大きさ等に応じて適宜決定すれば良い。
【００３３】
試料台は、当該試料台の面に垂直な方向を軸として回転できる機構（回転機構）、当該試料台の面に垂直な方向に移動できる機構（昇降機構）、当該試料台の面に平行な方向に移動できる機構（平行移動機構）等の少なくとも１種の機構を有する可動式であることが望ましい。特に、回転機構又は昇降機構を採用することによって、加熱温度、温度勾配等の制御を自由に行うことができる。また、平行移動機構により、複数の試料台を連続的に炉内に導入でき、より大量の単結晶製造が可能となる。これらの機構自体は、公知の機構を採用することができる。また、これらの制御機構については、実移動距離モニター、移動速度プログラム等の公知の制御システムを適宜採用することができる。
【００３４】
本発明装置は、固体材料を炉内に配置し、加熱手段及び冷却手段を適宜作動させることにより、結晶育成を行うことができる。この場合、炉内に固体材料を配置する前に加熱手段を作動させて予め炉内を加熱しておいても良い。
【００３５】
特に、試料台に上記昇降機構が備えられた装置では、炉内における試料台の昇降（試料台の挿入速度の制御）により結晶成長を制御することができる。例えば、１）予め一定温度に保持された炉内に固体材料の一部を冷却しながら固体材料の一端を挿入する方法（非冷却方向からの挿入）、２）加熱を伴いながら固体材料の一端を炉内に挿入する方法（加熱方向からの挿入）、３）固体材料の一部を冷却するとともに他の一部を加熱しながら炉内に挿入する方法（加熱方向からの挿入）等が挙げられる。挿入速度は、通常０．１〜２０ｍｍ／ｈの範囲内で適宜設定すれば良い。
【００３６】
結晶育成は、加熱手段及び冷却手段を制御することにより、固体材料の内部に温度勾配を与えることが望ましい。具体的には、冷却手段、加熱手段及び局部加熱手段を適宜組み合わせることによって温度勾配を付与することができる。例えば、１）固体材料の一部を加熱する方法、２）固体材料全体を加熱しながら、固体材料の一部を冷却する方法、３）固体材料の一部を加熱しながら、固体材料の別の一部を冷却する方法等が挙げられる。
【００３７】
固体材料に与える温度勾配は、用いる固体材料の種類等に応じて適宜設定すれば良いが、通常は平均温度勾配１０℃／ｃｍ以上とすることが望ましい。上記の平均温度勾配は、固体材料のうち最高温度部分と最低温度部分における温度差を、上記最高温度部分と上記最低温度部分との最短距離で除した値をいう。上記温度差は、熱電対を上記最高温度部分と上記最低温度部分に設置することにより測定することができる。
【００３８】
炉内雰囲気は、用いる固体材料の種類等に応じて適宜調整することができる。例えば、酸化性雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元性雰囲気等のいずれの雰囲気にすることもできる。また、加圧雰囲気、減圧雰囲気、真空雰囲気等も公知の方法に従って調整すれば良い。具体的には、例えば本発明装置の炉内に雰囲気ガス導入口又は排出口を設け、雰囲気ガスの調整、雰囲気ガスの導入、圧力制御等を行えば良い。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の結晶育成装置によれば、効率的に結晶成長を行うことができる。このため、通常の多結晶はもとより、単結晶又は配向性多結晶を比較的容易に製造することができる。特に、本発明の結晶育成装置では、固体材料の内部に温度勾配を自由に与えることができるので、あらゆるタイプの結晶（特に単結晶）の製造に効果的に適用できる。
【００４０】
本発明装置では、従来の溶融式の装置に比べ、比較的速くかつ低温で結晶育成することができる。このため、効率的・コスト的に有利であり、より低価格で単結晶等を提供することが可能となる。
【００４１】
従来の溶融凝固法では、▲１▼物質の溶解とともに分解・蒸発を伴うもの、▲２▼凝固点以下の温度で相転移を伴い結晶育成が不可能であったもの、▲３▼ＬｉＮｂＯ単結晶3、ＬｉＴａＯ3単結晶等のように状態図的な制約からストイキオメトリー(化学量論組成)の単結晶の作製が困難なものなどがあった。これに対し、本発明装置では、これら従来技術で製造することが困難とされていた材料であっても、その物質の融点以下で単結晶等の育成を行える。このため、本発明装置は、新たな物質合成又は単結晶材料の高品質化に大いに期待できる。
【００４２】
さらに、本発明の結晶育成装置は、溶融法では困難とされていた単結晶の大量供給が可能となることから、工業的規模での単結晶製造等に最適である。
【００４３】
【実施例】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。
【００４４】
実施例１
光通信用アイソレーター等に使用されるＹＩＧを用い、本発明装置によりＹＩＧ単結晶の育成を行った。
（１）本発明装置
本発明装置の概要を図１に示す。炉体は直方体であり、炉体内部は上方分室・下方分室の２つの分室から構成されている。上方分室は結晶育成室（７）として使用され、複数のヒーターが設置されている。下方分室は低温室（８）として使用され、ヒーターは設置されていない一方、雰囲気ガスの導入口（９）及びサブガス導入口（６）が設けられている。両分室を区切る壁の中心付近と下方分室の底面の中心付近には、貫通口が開けられており、その下方から試料配置装置が挿入される構成となっている。
【００４５】
試料配置装置は、固体材料（焼結材料）（１）を載せるための試料台（２）及び受け台（３）（試料台受け台）を有し、試料台はスペーサー（３）を介して受け台に連結されている。試料台は円形であり、その中心部に固体材料（１）を設置すれば良い。受け台は筒型形状であり、その中心部に冷却管（５）（メインガス導入パイプ）が通っており、その冷却管の開口部が試料台の中心に向けられている。試料台及び受け台の直径は、上記貫通口の直径よりもやや小さめに作製されている。
【００４６】
また、試料配置装置は、図１に示すように、試料台の面に垂直な方向を軸として回転できる機構（回転機構）及び当該試料台の面に垂直な方向に移動できる機構（昇降機構）を有する。昇降機構については、図２に示すような状態を最下位置とし、図３に示すような状態を最上位置とすることができる。
【００４７】
これらの回転機構及び昇降機構は、それぞれ公知の機構を採用することもできる。例えば図５（Ｂ）に示すように、回転機構は、試料配置装置の中心部に回転軸を通し、その回転軸の下端を回転モーターに接続して試料配置装置全体を回転できるようにすれば良い。また、昇降機構は、試料配置装置の下部に支持板を固定し、その支持板の両側に鉛直に設置された２つのシャフト（１以上であれば良い。）に貫通させて装置全体が移動できるようにする。シャフトはボールねじ回転式とし、シャフトの回転により支持板が昇降できるようにすれば良い。シャフトは、昇降用モーターにより回転させれば良い。図５（Ａ）は、試料台が上昇した状態を示す。
【００４８】
図１に示すように、冷却管（５）には、外部より冷媒としてガス（１０）が導入され、試料台（２）に向かって送り込まれる。送り込まれたガスは、炉内の天井に設けられた排出口より主として排出される。別の態様としては、図４に示すように、冷却管として太管の中に開口部を有する細管を挿入し、細管の開口部から冷媒を太管内に流出させ、流出した冷媒は太管に入って系外に排出されるクローズドシステムすることもできる。この場合は、冷媒が炉内に流出せずに循環させることができ、繰り返し冷媒を用いることができる。特に、冷媒として液体冷媒を用いる場合に有効である。
【００４９】
また、装置全体の構造としては、純粋な雰囲気調整が可能とするため、水冷ジャケット式の密閉式のＳＵＳチャンバーを使用した。これにより、各種の雰囲気ガス、減圧雰囲気・加圧雰囲気等のいずれにも対応することが可能である。
（２）単結晶の育成
まず、９８ＭＰａの圧力にてラバープレスしたＹ2Ｏ3-Ｆｅ2Ｏ3圧粉体(ガーネットの化学量論組成)を１２９０℃で予備焼結して、ＹＩＧ焼結体を作製した。この焼結体を試料台の上にセットした。このとき、上記焼結体は図１の（１）に示すように先端部を円錐上とし、最先端部をφ１０ｍｍの平滑面(鏡面)を形成し、その部分にＦＺ法で作製したφ５ｍｍ×ｔ１ｍｍの＜１１１＞ＹＩＧ単結晶を種結晶（１１）として接合した。試料台の昇降移動について、炉内での出発位置と終了位置を決定した。出発位置は、低温室の最下部の位置に受け台の上部の面に合わせた（図２）。終了位置は、焼結体の最下部が高温室（結晶育成室）に入る位置とした（図３）。このときの上昇移動距離を１５０ｍｍとした。固体材料の上昇速度については、まず雰囲気温度が設定温度に到達する時間に合わせて固体材料の上部先端部が設定温度の均熱ゾーン（結晶育成室）の最下部域に位置するように設置した。１４４０℃に保持した高温室に材料まで約３０時間かけて直径２インチ長さ２インチの焼結体を定速で挿入した。(試料台の移動距離は１００ｍｍ(材料の挿入速度は３．３ｍｍ／ｈ)であるが、材料のものは３０時間で先端部から４５ｍｍ間が単結晶化していたので計算上は１．５ｍｍ／ｈとなる。
【００５０】
また、雰囲気ガスとして酸素を用いた。雰囲気調整用として低温室のガス導入口からの流量を５００ｃｃ／ｍｉｎに固定した。使用方法としては、固定流量式、プログラム可変流量式を採用し、温度冷却効果を調節する目的として用いる。また、パソコン通信にて温度プログラム、試料昇降プログラムに合わせてプログラム運動を可能とした。
【００５１】
固体材料の冷却用のガス流量プログラム設定を行った。固体材料の上部先端部から単結晶を成長させるため、固体材料の下部から酸素ガスを冷媒として用いて強制冷却を行なった。先端部に種子結晶をつけたＹＩＧ焼結体を試料台にセットし、その先端部を結晶育成温度に保持された炉体直下まで移動させた。このとき材料下部から５．０Ｌ／ｍｉｎの速度で冷却ガスを流し、材料を一定速度で高温室に挿入スしながら、５．０→０．５Ｌ／ｍｉｎまで一定速度で冷却ガスを変動させることで材料の冷却状態を連続的に変動させた。各条件は、固体材料の材質、大きさ等によって適宜決定でき、それをプログラムに設定することができる。本発明装置により、従来の結晶引き上げ式装置で育成していた時間の約１／１０程度の時間で単結晶を育成することができた。結晶育成温度に関しては、約６００℃という低い温度で単結晶化することができた。
【００５２】
実施例２
試料台としてヒートシンク材（セラミックス製、サイズ１６０ｍｍ×１６０ｍｍ）を用い、その上に直径２インチの上記ＹＩＧ焼結体を９個セットしたほかは、実施例１と同様にして結晶育成を行った。その結果、各焼結体は、先端から４５ｍｍまで単結晶化していることを確認できた。このように、本発明装置では１つの装置で２インゴット以上の単結晶を同時に量産でき、従来の装置よりも有利であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の概略図である。
【図２】本発明装置において、試料配置装置の昇降状態を示す図（断面図）である。
【図３】本発明装置において、試料配置装置の昇降状態を示す図（断面図）である。
【図４】本発明装置の冷却手段の一例を示す図（断面図）である。
【図５】本発明装置において、試料配置装置の昇降機構及び回転機構を示すイメージ図（断面図）である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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