(57)【要約】  単結晶体の原料が充填される坩堝と、前記坩堝内の前記原料を溶融させる加熱手段と、前記坩堝内に配置され、坩堝内の溶融液を吸い上げる環状スリットを有し、上面に前記溶融液を保持したダイと、前記ダイ上面の前記溶融液に接触する種結晶が下端に取付けられ、前記溶融液から前記種結晶を引き上げながら単結晶体を育成する引き上げ手段と、を備えたチューブ状単結晶体の製造装置である。前記ダイの上面は、前記環状スリットから内径側および外径側にそれぞれ環状スリットから離れるに従って高くなる上向きの斜面を含んでおり、内径側の斜面の最大高さ（Ｈ１）が外径側の斜面の最大高さ（Ｈ２）よりも大きく、その差（Ｈ１−Ｈ２）が０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶体の原料が充填される坩堝と、
前記坩堝内の前記原料を溶融させる加熱手段と、
前記坩堝内に配置され、坩堝内の溶融液を吸い上げる環状スリットを有し、上面に前記溶融液を保持したダイと、
前記ダイ上面の前記溶融液に接触する種結晶が下端に取付けられ、前記溶融液から前記種結晶を引き上げながら単結晶体を育成する引き上げ手段と、を備え、
前記ダイの上面は、前記環状スリットから内径側および外径側にそれぞれ環状スリットから離れるに従って高くなる上向きの斜面を含んでおり、かつ内径側の斜面の最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面の最大高さ（Ｈ２）との差（Ｈ１−Ｈ２）が０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満である、ことを特徴とするチューブ状単結晶体の製造装置。
【請求項２】
前記単結晶体が、サファイア、シリコン、酸化ガリウムまたはルチルの単結晶体である請求項１に記載のチューブ状単結晶体の製造装置。
【請求項３】
エッジ‐デファインド・フィルムフェッド・グロース法によりチューブ状単結晶体を育成するチューブ状単結晶体の製造方法であって、
前記単結晶体の原料を坩堝に充填し、前記坩堝の外周を囲む高周波コイルにより前記坩堝内の前記原料を誘導加熱して溶融させ、溶融液を得る工程と、
前記坩堝内に配置されたダイに形成した環状スリットを経て前記溶融液を前記ダイの上面に供給・保持させ、この溶融液に種結晶を配置し、前記種結晶を前記溶融液から垂直方向に引き上げながら前記溶融液を徐冷して前記チューブ状単結晶体を育成する工程と、を含み、
前記ダイの上面は、前記環状スリットから内径側および外径側にそれぞれ環状スリットから離れるに従って高くなる上向きの斜面を含んでおり、かつ内径側の斜面の最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面の最大高さ（Ｈ２）との差（Ｈ１−Ｈ２）が０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満である、ことを特徴とするチューブ状単結晶体の製造方法。
【請求項４】
チューブ状単結晶体の内径が０．４〜５０ｍｍである請求項３に記載のチューブ状単結晶体の製造方法。
【請求項５】
チューブ状単結晶体の厚さが０．２〜２５ｍｍである請求項３または４に記載のチューブ状単結晶体の製造方法。
【請求項６】
板状または棒状の前記種結晶を前記溶融液の少なくとも１箇所に接触させ、上方に引き上げる請求項３〜５のいずれかに記載のチューブ状単結晶体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、サファイア単結晶体等のチューブ状単結晶体の製造装置、およびこれを用いるチューブ状単結晶体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、単結晶体を育成する方法として、エッジ‐デファインド・フィルムフェッド・グロース法（edge defined film fed growth法、以下、ＥＦＧ法と略称することがある。）が知られている。この方法は、坩堝に充填した単結晶体の原料を加熱溶融し、坩堝内に設置したダイ（金型）内のスリットを毛細管現象によってダイ上面まで上昇した溶融液に種結晶（シード）を接触させ、上方に引き上げることで、棒状、板（リボン）状、チューブ状の単結晶体を成長させるものである。【０００３】
ＥＦＧ法による単結晶体の製造は、例えば特許文献１に開示されている。ＥＦＧ法によれば、種結晶の面方位を維持したまま単結晶体を製造することができる。そのため、後工程で面方位を調整するための複雑な加工を行うことなく、所望の面方位を有する単結晶体、例えば主面が所望の面方位を有する単結晶体が得られるという利点がある。【０００４】
チューブ状の単結晶体は、ダイ（金型）内のスリットを環状にして、当該環状スリットからチューブ状の形態で単結晶体を引き上げながら育成される。【０００５】
しかしながら、チューブ状単結晶体の育成では、ダイの内径側と外径側で温度差が生じやすい。そのため、チューブ状単結晶体の安定した育成が難しく、チューブ状単結晶体が曲がったり、膜厚が薄くなったりするなどの問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】２０１６−４７７９２号公報
【発明の概要】
【０００７】
本開示に係るチューブ状単結晶体の製造装置は、単結晶体の原料が充填される坩堝と、前記坩堝内の前記原料を溶融させる加熱手段と、前記坩堝内に配置され、坩堝内の溶融液を吸い上げる環状スリットを有し、上面に前記溶融液を保持したダイと、前記ダイ上面の前記溶融液に接触する種結晶が下端に取付けられ、前記溶融液から前記種結晶を引き上げながら単結晶体を育成する引き上げ手段と、を備える。前記ダイの上面は、前記環状スリットから内径側および外径側にそれぞれ環状スリットから離れるに従って高くなる上向きの斜面を含んでおり、内径側の斜面の最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面の最大高さ（Ｈ２）との差（Ｈ１−Ｈ２）が０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満である。
【０００８】
本開示に係るチューブ状単結晶体の製造方法は、ＥＦＧ法によりチューブ状単結晶体を育成するものであって、前記単結晶体の原料を坩堝に充填し前記坩堝の外周を囲む高周波コイルにより前記坩堝内の前記原料を誘導加熱して溶融させ溶融液を得る工程と、前記坩堝内に配置されたダイに形成した環状スリットを経て前記溶融液を前記ダイの上面に供給・保持させ、この溶融液に種結晶を配置し前記種結晶を前記溶融液から垂直方向に引き上げながら前記溶融液を徐冷して前記チューブ状単結晶体を育成する工程と、を含む。前記ダイの上面は、前記環状スリットから内径側および外径側にそれぞれ環状スリットから離れるに従って高くなる上向きの斜面を含んでおり、かつ内径側の斜面の最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面の最大高さ（Ｈ２）との差（Ｈ１−Ｈ２）が０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示に係るＥＦＧ法を説明するための概略図である。
【図２】本開示の単結晶体の製造装置の一実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本開示に係るダイを使用してチューブ状単結晶体を育成する様子を示す概略断面図である。
【図４】通常のダイを使用してチューブ状単結晶体を育成する様子を示す概略断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は本開示における単結晶体の引き上げ方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ＥＦＧ法では、図１に概念的に示すように、坩堝１００内に、スリット（間隙）１０１を有するダイ（金型）１０２が設置されている。坩堝１００に充填した単結晶体１０５の原料を、坩堝１００の外周に配置した加熱コイル１０３により加熱溶融させる。得られた溶融液１０４は、スリット１０１内を毛細管現象によってダイ１０２の上面まで上昇する。この溶融液１０４の液面に、後述する種結晶６を接触させて、上方に引き上げることで単結晶体１０５が育成される。図１において、符号１０６は、溶融液１０４と単結晶体１０５との固液界面を示している。
【００１１】
図２は、本開示の一実施形態に係るチューブ状単結晶体５の製造装置を示しており、特にチューブ状単結晶体５を育成している状態を示している。図２に示すように、単結晶体５の原料が供給される坩堝１は育成室１０内の下部に設置され、架台１１によって保持されている。育成室１０は円筒状の容器であり、例えばＭｏ、Ｗ、Ｗ−Ｍｏ合金、カーボン、ジルコニア（ＺｒＯ2）、アルミナ等の耐火物材料からなる。坩堝１は、モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ）、タングステンモリブテン合金（Ｗ−Ｍｏ）、イリジウム（Ｉｒ）等からなる。
【００１２】
育成室１０は密閉構造となっており、図示しないガス供給口およびガス排出口が備わっている。酸化を防止するために、ガス供給口からアルゴンガス等の不活性ガスが育成室１０内に供給され、不活性ガス雰囲気下で単結晶体５の育成が行われる。
【００１３】
育成室１０の外周には、坩堝１を囲むように加熱コイル３がらせん状に巻回される。加熱コイル３は、高周波電圧が印加されて高周波電流が流れる誘導コイルである。すなわち、加熱コイル３に高周波電流が流れると、坩堝１を中心に磁界が形成され、この磁界により坩堝１の表面に渦電流が発生して坩堝１が発熱する。
【００１４】
坩堝１には、ダイ２が設置されている。ダイ２には、環状スリット１２が形成されている。ダイ２の上方には、種結晶（シード）６を下端に保持したシードホルダー７が設置されている。シードホルダー７は軸体からなり、図示しない制御手段により鉛直方向に昇降可能であり、かつ軸心の周りを回転可能に構成されている。種結晶６の形状には、特に制限はないが、例えば、板状、棒状または管状の形状を有する。
【００１５】
坩堝１内に充填されている単結晶体５の原料は、加熱コイル３によって加熱溶融される。図３に示すように、得られた溶融液４は、毛細管現象によって環状スリット１２を通ってダイ２の上面まで上昇する。種結晶６の下端がダイ２上面の溶融液に接触し、上方２に一定速度で引き上げられ、単結晶体５が得られる。図３において、符号１４は溶融液４と単結晶体５との固液界面を示している。環状スリット１２の内径側と外径側は、図示していないが、溶融液４の上昇に支障をきたさないように、例えば、ダイ２の底部で部分的に連結されている。
単結晶体５の原料として、例えばサファイア単結晶体５を製造する場合には、高純度アルミナ（Ａｌ2Ｏ3、純度９９．９％以上）が使用され、アルミナの融点（約２０５０℃）以上の温度で原料を加熱する。
【００１６】
図４は、チューブ状単結晶体５を製造するための通常のダイ２０を示している。このダイ２０は環状スリット２２を有する。ダイ２０上面は、環状スリット２２から内径側および外径側にそれぞれ環状スリット２２から離れるに従って高くなる上向きの斜面２２ａ、２２ｂを含んでおり、かつ内径側の斜面２２ａと外径側の斜面２２ｂのそれぞれの最大高さＨ0は等しくなっている。図４のその他の部材は図３と同じであるので、同一符号を付して説明を省略する。図４において、符号１４´は固液界面を示している。
【００１７】
このような通常のダイ２０では、特に径の大きいチューブ状単結晶体５の育成では、育成したチューブ状単結晶体５の内壁５ａに覆われてしまう内径側の温度が、外径側の温度よりも高くなる。そのため、ダイ２０の内径側と外径側で温度差が生じ、チューブ状単結晶体５の安定した育成が難しい。そのため、チューブ状単結晶体５が曲がったり、壁厚が薄くなったりするなどの不具合が発生しやすい。
【００１８】
一方、図３に示す本実施形態に係るダイ２は、図４と同様に、環状スリット１２を有し、ダイ２上面は、通常のダイ２０と同様に、環状スリット１２から内径側および外径側にそれぞれ環状スリット１２から離れるに従って高くなる上向きの斜面２ａ、２ｂを含んでいる。内径側の斜面２ａの最大高さＨ１は外径側の斜面２ｂの最大高さＨ２よりも大きく形成されている。
このように、ダイ２の内径側の斜面２ａの最大高さＨ１を外径側の斜面２ｂの最大高さＨ２よりも大きく形成することにより、内径側の斜面２ａ先端の温度が下がり、外径側の斜面２ｂ先端との温度差がなくなるか、ないしは小さくなる。これにより、安定したチューブ状単結晶体５を育成することができる。すなわち、チューブ状単結晶体５が曲がったり、壁厚が薄くなったりするのが抑制され、得られるチューブ状単結晶体５の厚み精度が向上する。
【００１９】
内径側の斜面２ａの最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面２ｂの最大高さ（Ｈ２）の差（Ｈ１−Ｈ２）は０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満であるのがよく、上限は好ましくは５．０ｍｍ以下であるのがよい。
チューブ状単結晶体５の内径Ｄは、０．４ｍｍ以上、５０ｍｍ以下であるのがよく、好ましくは２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であるのがよい。
チューブ状単結晶体５の厚さｔは、０．２ｍｍ以上、２５ｍｍ以下であるのがよく、好ましくは０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下であるのがよい。チューブ状単結晶体５の厚さｔは、内径側の斜面２ａの最大高さ（Ｈ１）部位から外径側の斜面２ｂの最大高さ（Ｈ２）部位までの幅とほぼ等しい。
【００２０】
図５（ａ）、（ｂ）は、環状スリット１２の一部を示す部分断面図である。本実施形態に係るチューブ状単結晶体５を製造するには、図５（ａ）に示すように、環状スリット１２を経て溶融液４をダイ２の上面に供給・保持させ、この溶融液４の少なくとも液面に種結晶６の先端６ａを配置し接触させる。この状態から、種結晶６を下端に保持したシードホルダー７を上昇させ、図５（ｂ）に示すように、種結晶６を溶融液４から垂直方向に一定速度で引き上げ徐冷しながらチューブ状単結晶体５を育成する。
【００２１】
環状スリット１２によってダイ２の上面に供給された溶融液４は環状に保持されている。種結晶６は、板状ないし棒状に形成されている。図５（ａ）に示すように、種結晶６は、環状に保持された溶融液４の少なくとも１箇所に接触させ、その状態で種結晶６を上方に引き上げることにより、図５（ｂ）に示すように、チューブ状単結晶体５を得ることができる。図５（ｂ）は引き上げ直後の状態を示している。図５（ｂ）の状態から、種結晶６をさらに上方に引き上げると、図３に示すように、内径側の斜面２ａの最大高さ（Ｈ１）部位から外径側の斜面２ｂの最大高さ（Ｈ２）部位までの幅とほぼ等しい厚さｔを有するチューブ状単結晶体５が得られる。
必要に応じて、板状ないし棒状の種結晶６を２箇所以上で、環状に保持された溶融液４に接触させ、同時に引き上げるようにしてもよい。さらに、種結晶６を溶融液４と同じ環状に形成し、全周にわたって溶融液４の液面に接触し、引き上げるようにしてもよい。
【００２２】
坩堝１に対して、環状スリット１２を有するダイ２は１つだけでなく、複数のダイ２を設置してもよい。１つのダイ２に複数の環状スリット１２を並設してもよい。これらの場合、シードホルダー７の下端にそれぞれ対応する数の種結晶６を保持させ、同時に引き上げることにより、複数のチューブ状単結晶体５を同時に育成するようにすると、生産効率が向上する。
【００２３】
ＥＦＧ法では、種結晶６の面方位（結晶方位）と同じ面方位をとって単結晶体５が成長する。そのため、種結晶６とダイ２の位置関係を精密に調整する必要があるが、本実施形態では、従来と同様にして調整可能である。
【００２４】
本開示のチューブ状単結晶体の製造装置および製造方法によれば、ダイ２の上面は、前記環状スリット１２から内径側および外径側にそれぞれ環状スリット１２から離れるに従って高くなる上向きの斜面２ａ、２ｂを含んでおり、かつ内径側の斜面２ａの高さが外径側の斜面２ｂの高さよりも大きくなる所定範囲で構成されている。そのため、チューブ状単結晶体５を安定して育成することができ、チューブ状単結晶体５に曲がりや、厚み不良が生じるのを抑制することができる。そのため、本開示に係るチューブ状単結晶体５は、半導体製造装置 (ＳＰＥ)におけるプラズマ発生管や、熱電対等の保護管、分析装置におけるセンサー等の保護管や、試料等の容器として好適に使用することができる。
【００２５】
本開示によれば、ダイ上面における環状スリットの内径側の斜面の最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面の最大高さ（Ｈ２）との差（Ｈ１−Ｈ２）が０．１ｍｍ以上、７．５ｍｍ未満であるため、内径側のダイ上面の温度が下がり、外径側のダイ上面との温度差がなくなるか、ないしは小さくなるため、チューブ状単結晶体の安定した育成が可能となり、チューブ状単結晶体に曲がりや、厚み不良が生じるのを抑制することができる。
【００２６】
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載の範囲内で、各種の改良および改善を行なってもよいことは勿論である。本開示の単結晶体の製造装置および製造方法は、サファイア単結晶体５に限定されるものではなく、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）、ルチル（ＴｉＯ2）などの単結晶体５の製造にも同様にして適用される。
【００２７】
以下、実施例を挙げて本開示の単結晶体の製造装置および製造方法をより詳細に説明するが、本開示は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【実施例】
【００２８】
図２、図３に示す単結晶体の製造装置において、坩堝１内に配置するダイ２の上面の環状スリット１２から内径側の斜面２ａの最大高さ（Ｈ１）と外径側の斜面２ｂの最大高さ（Ｈ２）の差（Ｈ１−Ｈ２）が、チューブ状サファイア単結晶体の育成に及ぼす影響を調べた。すなわち、上記差（Ｈ１−Ｈ２）が０．１ｍｍから１０．０ｍｍまでの間でチューブ状サファイア単結晶体の育成状態を目視にて確認した。その結果を表１に示す。
育成状態は以下の基準で評価した。
○：チューブ状単結晶体に曲がりや、厚み不良がない。
×：チューブ状単結晶体に曲がりまたは厚み不良のいずれかが確認された。
【表１】
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【００２９】
ダイ２の最大高さの差（Ｈ１−Ｈ２）が０ｍｍ、７．５ｍｍおよび１０．０ｍｍのいずれの場合も、チューブ状単結晶体の内径側と外径側の温度差が大きくなり、チューブ状単結晶体に曲がりや、厚み不良が発生していた。
このとき、上記Ｈ１−Ｈ２が０ｍｍの場合、内径側の温度が適温で、外径側の温度がそれよりも低い場合は、外径側の温度に起因して曲がりが発生しやすく、逆に外径側の温度が適温で、内径側の温度がそれよりも高い場合は、内径側の温度に起因してチューブ状単結晶体の厚みが小さくなりやすくなると推測される。
上記Ｈ１−Ｈ２が７．５ｍｍおよび１０．０ｍｍの場合、内径側の温度が外径側の温度よりも低くなるので、曲がりが発生すると推測される。さらに内径側の温度が低くなると、単結晶体がダイに固着し、ダイが持ち上げられるという不具合も観察された。
【符号の説明】
【００３０】
１、１００  坩堝
２、２０、１０２  ダイ
３、１０３  加熱コイル
４、１０４  溶融液
５、１０５  単結晶体
６    種結晶
７    シードホルダー
１０  育成室
１１  架台
１２、２２  環状スリット
１４、１４´、１０６  固液界面
１０１  スリット
【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】
2019230701.tif 000008
【国際調査報告】
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2019230701.tif 000010