坩堝および単結晶育成装置
【課題】 単結晶の育成速度の優れた坩堝および単結晶育成装置を提供する。
【解決手段】 坩堝10は、単結晶育成装置に配置されるものである。坩堝10は、収容体11と、中空体12とを含む。収容体11は、開口を有し、原材料を収容する。中空体12は、収容体11の内に収容され、収容体11の開口側に向かって径が小さくなっている。
【解決手段】 坩堝10は、単結晶育成装置に配置されるものである。坩堝10は、収容体11と、中空体12とを含む。収容体11は、開口を有し、原材料を収容する。中空体12は、収容体11の内に収容され、収容体11の開口側に向かって径が小さくなっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、坩堝および単結晶育成装置に関する。
【背景技術】
【0002】
炭素(C)と、珪素(Si)の化合物である炭化珪素(Silicon carbide;SiC)がある。このSiCは、バンドギャップがSiに比べて広く、絶縁破壊に至る電界強度が大きいこと、熱伝導性が高いこと、耐熱性が高いこと、耐薬品性に優れること、耐放射線性に優れること、などの種々の利点から注目を集めている。このSiCに注目している分野は、原子力を含む重電、自動車および航空を含む運輸、家電、ならびに宇宙などと幅広い。このSiCの単結晶は、例えば特許文献1に記載されるような製造方法で製造されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2000−264790号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、特許文献1に記載されているような製造方法では、SiCなどの単結晶を育成するのに多くの時間を要してしまっていた。
【0005】
本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、単結晶の育成速度の優れた坩堝および単結晶育成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の坩堝は、単結晶育成装置に配置されるものであって、開口を有し、原材料を収容する収容体と、前記収容体の内に収容され、前記開口側に向かって径が小さくなっている中空体とを含む。
【0007】
本発明の単結晶育成装置は、本発明に係る坩堝と、前記収容体を加熱する加熱機構と、前記収容体に種結晶を搬送する搬送機構とを含む。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、単結晶の育成速度の優れた坩堝および単結晶育成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明に係る単結晶育成装置の実施形態の一例の概略構成を示す断面図である。
【図2】本発明に係る坩堝の実施形態の一例の概略構成を示す断面図である。
【図3】図2に示した坩堝の一部の構成を示す斜視図である。
【図4】図3に示した坩堝の変形例を示す斜視図である。
【図5】図2に示した坩堝の他の実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図6】図5に示した坩堝の一部の構成を示す斜視図である。
【図7】図2に示した坩堝の他の実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図8】図7に示した坩堝の一部の構成を示す斜視図である。
【図9】図2に示した坩堝の他の実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図10】図9に示した坩堝の一部の構成を示す斜視図である。
【図11】図8に示した坩堝の一部構成の変形例を示す斜視図である。
【図12】図10に示した坩堝の一部構成の変形例を示す斜視図である。
【図13】図9に示した坩堝の他の実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図14】図3に示した坩堝の一部の構成の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明に係る坩堝および単結晶育成装置の実施形態の一例について、図面を参照しつつ説明する。図1は、本発明の単結晶育成装置の実施形態の一例である単結晶育成装置1の概略構成を示す断面図である。
【0011】
単結晶育成装置1は、本発明の坩堝の実施形態の一例である坩堝10、坩堝容器20、加熱機構30、搬送機構40、および制御部50を有して構成されている。この単結晶育成装置1では、溶液成長法を用いて単結晶の育成を行う。
【0012】
坩堝10は、育成する単結晶の原料を内部で融解させる器としての機能を担っている。本実施形態では、この坩堝10の中で単結晶の原料が融解し、原料融液60として貯留する。また、溶液成長法を採用する本実施形態では、この坩堝10の内部で熱的平衡状態を作り出して、単結晶の育成を行う。
【0013】
この坩堝10は、坩堝容器20の内部に配置されている。坩堝容器20は、坩堝10を保持する機能を担っている。この坩堝容器20と坩堝10との間には、保温材21が配置されている。この保温材21は、坩堝10の周囲を囲んでいる。保温材21は、坩堝10からの放熱を抑制し、坩堝10の温度を安定して保つことに寄与している。
【0014】
この坩堝10は、加熱機構30によって加熱される。つまり、加熱機構30は、坩堝10を加熱する機能を担っている。本実施形態の加熱機構30は、電磁波によって加熱する電磁加熱方式を採用しており、コイル31および交流電源32を含んで構成されている。このコイル31は、導体によって形成され、坩堝10の周囲を囲むように巻き回されている。交流電源32は、コイル31に交流電流を流すものであり、流す交流電流の周波数が高いものが好ましい。
【0015】
この加熱機構30では、次のようにして坩堝10を加熱している。まず、交流電源32を用いてコイル31に電流を流して、坩堝10を含む空間に電磁場を発生させる。次に、この電磁場によって、坩堝10に誘導電流が流れる。坩堝10に流れた誘導電流は、電気抵抗によるジュール発熱、およびヒステリシス損失による発熱などの種々の損失によって、熱エネルギに変換される。つまり、坩堝10は、誘導電流の熱損失によって加熱される。なお、この電磁場によって原料融液60自体に誘導電流を流して発熱させてもよい。このように原料融液60自体を発熱させる場合は、坩堝10自体を発熱させなくてもよい。
【0016】
また、本実施形態では、加熱機構30として電磁加熱方式を採用しているが、他の方式であってもよい。加熱機構30としては、例えば、カーボンなどの発熱抵抗体で生じた熱を伝熱する方式などの他の方式が採用できる。この伝熱方式の加熱機構を採用する場合は、坩堝10と保温材21との間に発熱抵抗体が配置される。
【0017】
この坩堝10の原料融液60には、搬送機構40によって単結晶の種結晶61が供給される。つまり、搬送機構40は、原料融液60の中に種結晶を搬入する機能を担っている。また、この搬送機構40は、原料融液60の中から育成した単結晶を搬出する機能も担っている。この搬送機構40は、引き上げ軸41、および動力源42を含んで構成されている。この引き上げ軸41によって、種結晶61および育成した単結晶の搬入出が行われる。種結晶61は、引き上げ軸41の先端に取り付けられており、この引き上げ軸41は、動力源42によって上下方向D1,D2に移動が制御される。本実施形態では、D1方向が物理空間上の下方向を意味し、D2方向が物理空間上の上方向を意味する。
【0018】
単結晶育成装置1では、加熱機構30の交流電源32と、搬送機構40の動力源42とが制御部50に接続されて制御されている。つまり、この単結晶育成装置1は、制御部50によって、原料融液60の加熱および温度制御と、種結晶61および種結晶の搬入出とが連動して制御されている。この制御部50は、中央演算処理装置(CPU)、およびメモリなどの記憶装置を含んで構成されており、例えば公知のコンピュータからなる。
【0019】
原料融液60は、育成する単結晶を構成する元素の少なくとも1つを含む物質が溶媒として溶融している。また、この原料融液60には、この溶媒中に育成する単結晶を構成する他の元素が溶質として溶解している。この溶質となる元素の溶解度は、溶媒となる元素の温度が高くなるほど大きくなる。このため、高温下の溶媒に多くの溶質を溶解させた原料融液60が冷えると、熱的な平衡を境に溶質が析出する。この熱的平衡による析出を利用して、本実施形態が採用している溶液成長法では、単結晶の育成を行っている。そのため、種結晶61および育成中の単結晶に、高温下において多くの溶質を溶解している原料融液60を供給することが、単結晶の育成速度を早めるうえで重要な要素となる。
【0020】
また、この原料融液60は、第2の溶媒を含んでいても良い。原料融液60に第2の溶媒を含ませることで、より多くの溶質を溶解させることができる。加えて、原料融液60に第2の溶媒を含ませることで、単結晶の育成が進み、育成する単結晶を構成する元素が溶融した第1の溶媒が少なくなった場合でも溶質を安定して溶解させることができる。
【0021】
坩堝10を形成する材料および原料融液60は、育成する単結晶に応じて適宜選択される。炭化珪素(SiC)の単結晶を育成する場合には、例えば、次の組合せが挙げられる。坩堝10の形成材料としては、炭素元素を含む材料が用いられ、例えばグラファイト(石墨)が挙げられる。また、原料融液60として珪素の溶融液が第1の溶媒として用いられる。また、第2の溶媒として、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、錫(Sn)、スカンジウム(Sc)、ニッケル(Ni)などを必要に応じて採用してもよい。この原料融液60には、炭素(C)が溶質として溶解される。
【0022】
また、窒化ガリウム(GaN)の単結晶を育成する場合には、例えば、次の組合せが挙げられる。坩堝10の形成材料としては、窒化ホウ素(BN)が用いられる。原料融液60としてガリウム(Ga)の溶融液が第1の溶媒として用いられる。また、第2の溶媒として、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、リチウム(Li)、バリウム(Ba)、Al、Sn、亜鉛(Zn)、ビスマス(Bi)、Si、Mn、インジウム(In)、アンチモン(Sb)、ストロンチウム(Sr)などを必要に応じて採用してもよい。この原料融液60には、窒素(N)が溶質として溶解される。この窒素元素は、窒化ナトリウム(NaN3)を原料融液60に溶かして溶解させてもよい。
【0023】
また、窒化アルミニウム(AlN)の単結晶を育成する場合には、例えば、次の組合せが挙げられる。坩堝10の形成材料としては、窒化アルミニウム(AlN)が用いられる。原料融液60としてAlの溶融液が第1の溶媒として用いられる。また、第2の溶媒として、Li、銅(Cu)、Sn、Ga、In、Bi、水銀(Hg)を必要に応じて採用してもよい。この原料融液60には、窒素(N)が溶質として溶解される。この窒素元素は、窒化リチウム(LiN3)を原料融液60に溶かして溶解させてもよい。
【0024】
本実施形態の加熱機構30は、種結晶61が供給されるD1方向側において析出を好適に生じさせるため、種結晶61の周囲となるD2方向側の温度がD1方向側の温度に比べて低くように加熱している。具体的には、コイル31の巻数がD1方向側に比べてD2方向側で少なくなっている。コイル31の構成をこのようにすることによって、D1方向側で生じる誘導電流を多くして、D1方向側を相対的に高温にすることができる。
【0025】
本発明の坩堝の実施形態の一例である坩堝10に関して、図2、3を参照して詳述する。この坩堝10は、収容体11と、中空体12とを含んで構成されている。
【0026】
収容体11は、原料融液60を収容する収容部11aを有する器(うつわ)である。この収容部11aは、D1方向側に窪んでおり、D2方向側が開口している。搬送機構40の引き上げ軸41は、この開口を通じて種結晶61および育成した単結晶の搬入出が行われる。
【0027】
中空体12は、収容体11の収容部11aに収容されている。この中空体12は、中空となっている中空部12aを有している。中空部12aは、第1方向D1,D2の両側において開口している。種結晶61は、この中空部12aのD2方向側の開口部に配置される。本実施形態の中空部12aは、第1中空部12bと、第2中空部12cとを含んで構成されている。
【0028】
第1中空部12bは、D1方向側からD2方向側に向かうにつれて径が小さくなっている。言い換えると、この第1中空部12bは、収容部11aの開口側に近づくにつれて径が小さくなっている。この坩堝10では、D1方向側からD2方向側に流れる原料融液60を狭い領域に集めて流すことができる。つまり、D1方向側から流入する原料融液60を集めて種結晶61に供給することができる。このD1方向側から供給される原料融液60は、相対的に多くの溶質を溶解しており、相対的に温度の低いD2方向側で溶質が析出する。したがって、この坩堝10では、種結晶61および育成中の単結晶に、高温下において多くの溶質を溶解している原料融液60を好適に供給することができる。
【0029】
第2中空部12cは、D1方向側からD2方向側にわたっての径の変化が第1中空部12bの径の変化に比べて小さくなっている。ここでいう「径の変化」とは、第1方向における長さ当たりの径の変化をいう。本実施形態の第2中空部12cは、D1方向側からD2方向側にわたって径がほぼ等しくなっている。この第2中空部12cを設けることによって、中を流れる原料融液60の流量バラツキを小さくすることができる。したがって、この坩堝10では、育成する単結晶の厚みバラツキを小さくすることができる。
【0030】
この中空体12は、脚部12dを有している。この脚部12dは、中空体12のD1方向側の開口を、収容部11aの底面から離隔させる目的で設けられている。この脚部12dが収容部11aのD1方向側の底面に接しており、中空体12は、収容部11aの内部で自立している。なお、原料融液60は、複数の脚部12dの間から流入する。
【0031】
本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【0032】
図2,3に示した中空体12は、第1中空部12bと、第2中空部12cとが一体化して形成されているが、このような構成に限られない。図4に示したように、第1中空部12Abを有する第1中空体121と、第2中空部12Acを有する第2中空体122とを含んで構成される中空体12Aであってもよい。なお、この第1中空体121と、第2中空体122とは、接着、溶着などで固着してもよいし、ネジなどを用いて固定してもよい。また、第1中空体121のうえに第2中空体122を置いて配置した場合であってもよい。
【0033】
図1に示した単結晶育成装置1では、上側(D2方向側)から種結晶61を供給しているが、下側(D1方向側)から種結晶61を供給する構成とされていてもよい。この場合、装置の構成変更に応じて、図5,6に示したように、形状の異なる坩堝10Bが採用される。
【0034】
この坩堝10Bの収容体11Bは、D1方向側に窪んでおり、D2方向側が開口しているのに加えて、D1方向側の一部が開口している。搬送機構40Bの引き上げ軸41Bは、D1方向側の開口を通じて種結晶61および育成した単結晶の搬入出が行われる。
【0035】
この坩堝10Bの中空体12は、中空となっている中空部12Baを有している。中空部12Baは、第1方向D1,D2の両側において開口している。この中空部12Baは、第1中空部12Bbと、第2中空部12Bcとを含んで構成されている。第1中空部12Bbは、D2方向側からD1方向側に向かうにつれて径が小さくなっている。言い換えると、この第1中空部12Bbは、収容部11aの開口側に近づくにつれて径が小さくなっている。第2中空部12Bcは、D1方向側からD2方向側にわたっての径の変化が第1中空部12Bbの径の変化に比べて小さくなっている。この第2中空部12Bcは、D1方向側からD2方向側にわたって径がほぼ等しくなっている。また、この中空体12Bは、脚部12Bdを有している。
【0036】
図2〜6に示した中空体12,12Bでは、収容部12a,12Baの内部に種結晶61が配置されるように構成されているが、このような構成に限られない。種結晶61は、収容部12a,12Baの外側に配置されるように構成されていてもよい。例えば図7,8に示した坩堝10Cでは、収容体11Cに収容される原料融液60のうち、中空体12CのD2方向側の開口から流出する原料融液が種結晶61に供給されるように構成されている。
【0037】
また、図9,10に示した坩堝10Dの中空体12Dは、図7,8に示した中空体12Cの構成に加えて、種結晶61に対向する上面12Deを有している。このように上面12Deを有することによって中空体12Dは、中空体12DのD2方向側の開口から流出した原料融液60を、種結晶61の表面に沿って流し、対流させることができる。そのため、坩堝10Dでは、種結晶61の表面に供給される原料融液60の量のバラツキを低減し、育成する単結晶の厚みバラツキの低減を図ることができる。
【0038】
また、図7〜10に示した中空体12C,12Dは、D2方向側の開口が円形状をしているが、このような構成に限られない。例えば図11,12に示した中空体12E,12Fように、開口の形状が一つの方向に延びていてもよい。
【0039】
図2〜12に示した中空体12,12A〜12Fは、脚部12d,12Ad〜12Fdを介して立脚しているが、このような構成に限られない。例えば図13に示したように中空体12Gを直接吊してもよいし、図14に示したように支持体13を設けて、かかる支持体13で中空体12Hを間接的に吊してもよい。このようにして、中空体12G,12Hの開口を収容体から離隔することができる場合には、脚部を設けなくても、中空体12G,12Hの開口部から原料融液60を流入させることができる。
【0040】
なお、図13に示した中空体12Gは、上部に設けられている吊り部12Geで吊しているが、吊り部が側面などの他の部位に設けられていてもよい。また、図14に示した支持体13は、開口部13aを有しているが、中空体12の開口を収容体から離隔することができる形状であれば、これに限定されるものではない。
【符号の説明】
【0041】
1・・・単結晶育成装置
10・・・るつぼ
11・・・収容体
12・・・中空体
12a・・・中空部
12b・・・第1中空部
12c・・・第2中空部
12d・・・脚部
121・・・第1中空体
122・・・第2中空体
13・・・支持体
13a・・・開口部
20・・・坩堝容器
21・・・保温材
30・・・加熱機構
31・・・コイル
32・・・交流電源
40・・・搬送機構
41・・・引き上げ軸
42・・・動力源
50・・・制御部
60・・・原料融液
61・・・種結晶
【技術分野】
【0001】
本発明は、坩堝および単結晶育成装置に関する。
【背景技術】
【0002】
炭素(C)と、珪素(Si)の化合物である炭化珪素(Silicon carbide;SiC)がある。このSiCは、バンドギャップがSiに比べて広く、絶縁破壊に至る電界強度が大きいこと、熱伝導性が高いこと、耐熱性が高いこと、耐薬品性に優れること、耐放射線性に優れること、などの種々の利点から注目を集めている。このSiCに注目している分野は、原子力を含む重電、自動車および航空を含む運輸、家電、ならびに宇宙などと幅広い。このSiCの単結晶は、例えば特許文献1に記載されるような製造方法で製造されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2000−264790号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、特許文献1に記載されているような製造方法では、SiCなどの単結晶を育成するのに多くの時間を要してしまっていた。
【0005】
本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、単結晶の育成速度の優れた坩堝および単結晶育成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の坩堝は、単結晶育成装置に配置されるものであって、開口を有し、原材料を収容する収容体と、前記収容体の内に収容され、前記開口側に向かって径が小さくなっている中空体とを含む。
【0007】
本発明の単結晶育成装置は、本発明に係る坩堝と、前記収容体を加熱する加熱機構と、前記収容体に種結晶を搬送する搬送機構とを含む。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、単結晶の育成速度の優れた坩堝および単結晶育成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明に係る単結晶育成装置の実施形態の一例の概略構成を示す断面図である。
【図2】本発明に係る坩堝の実施形態の一例の概略構成を示す断面図である。
【図3】図2に示した坩堝の一部の構成を示す斜視図である。
【図4】図3に示した坩堝の変形例を示す斜視図である。
【図5】図2に示した坩堝の他の実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図6】図5に示した坩堝の一部の構成を示す斜視図である。
【図7】図2に示した坩堝の他の実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図8】図7に示した坩堝の一部の構成を示す斜視図である。
【図9】図2に示した坩堝の他の実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図10】図9に示した坩堝の一部の構成を示す斜視図である。
【図11】図8に示した坩堝の一部構成の変形例を示す斜視図である。
【図12】図10に示した坩堝の一部構成の変形例を示す斜視図である。
【図13】図9に示した坩堝の他の実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図14】図3に示した坩堝の一部の構成の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明に係る坩堝および単結晶育成装置の実施形態の一例について、図面を参照しつつ説明する。図1は、本発明の単結晶育成装置の実施形態の一例である単結晶育成装置1の概略構成を示す断面図である。
【0011】
単結晶育成装置1は、本発明の坩堝の実施形態の一例である坩堝10、坩堝容器20、加熱機構30、搬送機構40、および制御部50を有して構成されている。この単結晶育成装置1では、溶液成長法を用いて単結晶の育成を行う。
【0012】
坩堝10は、育成する単結晶の原料を内部で融解させる器としての機能を担っている。本実施形態では、この坩堝10の中で単結晶の原料が融解し、原料融液60として貯留する。また、溶液成長法を採用する本実施形態では、この坩堝10の内部で熱的平衡状態を作り出して、単結晶の育成を行う。
【0013】
この坩堝10は、坩堝容器20の内部に配置されている。坩堝容器20は、坩堝10を保持する機能を担っている。この坩堝容器20と坩堝10との間には、保温材21が配置されている。この保温材21は、坩堝10の周囲を囲んでいる。保温材21は、坩堝10からの放熱を抑制し、坩堝10の温度を安定して保つことに寄与している。
【0014】
この坩堝10は、加熱機構30によって加熱される。つまり、加熱機構30は、坩堝10を加熱する機能を担っている。本実施形態の加熱機構30は、電磁波によって加熱する電磁加熱方式を採用しており、コイル31および交流電源32を含んで構成されている。このコイル31は、導体によって形成され、坩堝10の周囲を囲むように巻き回されている。交流電源32は、コイル31に交流電流を流すものであり、流す交流電流の周波数が高いものが好ましい。
【0015】
この加熱機構30では、次のようにして坩堝10を加熱している。まず、交流電源32を用いてコイル31に電流を流して、坩堝10を含む空間に電磁場を発生させる。次に、この電磁場によって、坩堝10に誘導電流が流れる。坩堝10に流れた誘導電流は、電気抵抗によるジュール発熱、およびヒステリシス損失による発熱などの種々の損失によって、熱エネルギに変換される。つまり、坩堝10は、誘導電流の熱損失によって加熱される。なお、この電磁場によって原料融液60自体に誘導電流を流して発熱させてもよい。このように原料融液60自体を発熱させる場合は、坩堝10自体を発熱させなくてもよい。
【0016】
また、本実施形態では、加熱機構30として電磁加熱方式を採用しているが、他の方式であってもよい。加熱機構30としては、例えば、カーボンなどの発熱抵抗体で生じた熱を伝熱する方式などの他の方式が採用できる。この伝熱方式の加熱機構を採用する場合は、坩堝10と保温材21との間に発熱抵抗体が配置される。
【0017】
この坩堝10の原料融液60には、搬送機構40によって単結晶の種結晶61が供給される。つまり、搬送機構40は、原料融液60の中に種結晶を搬入する機能を担っている。また、この搬送機構40は、原料融液60の中から育成した単結晶を搬出する機能も担っている。この搬送機構40は、引き上げ軸41、および動力源42を含んで構成されている。この引き上げ軸41によって、種結晶61および育成した単結晶の搬入出が行われる。種結晶61は、引き上げ軸41の先端に取り付けられており、この引き上げ軸41は、動力源42によって上下方向D1,D2に移動が制御される。本実施形態では、D1方向が物理空間上の下方向を意味し、D2方向が物理空間上の上方向を意味する。
【0018】
単結晶育成装置1では、加熱機構30の交流電源32と、搬送機構40の動力源42とが制御部50に接続されて制御されている。つまり、この単結晶育成装置1は、制御部50によって、原料融液60の加熱および温度制御と、種結晶61および種結晶の搬入出とが連動して制御されている。この制御部50は、中央演算処理装置(CPU)、およびメモリなどの記憶装置を含んで構成されており、例えば公知のコンピュータからなる。
【0019】
原料融液60は、育成する単結晶を構成する元素の少なくとも1つを含む物質が溶媒として溶融している。また、この原料融液60には、この溶媒中に育成する単結晶を構成する他の元素が溶質として溶解している。この溶質となる元素の溶解度は、溶媒となる元素の温度が高くなるほど大きくなる。このため、高温下の溶媒に多くの溶質を溶解させた原料融液60が冷えると、熱的な平衡を境に溶質が析出する。この熱的平衡による析出を利用して、本実施形態が採用している溶液成長法では、単結晶の育成を行っている。そのため、種結晶61および育成中の単結晶に、高温下において多くの溶質を溶解している原料融液60を供給することが、単結晶の育成速度を早めるうえで重要な要素となる。
【0020】
また、この原料融液60は、第2の溶媒を含んでいても良い。原料融液60に第2の溶媒を含ませることで、より多くの溶質を溶解させることができる。加えて、原料融液60に第2の溶媒を含ませることで、単結晶の育成が進み、育成する単結晶を構成する元素が溶融した第1の溶媒が少なくなった場合でも溶質を安定して溶解させることができる。
【0021】
坩堝10を形成する材料および原料融液60は、育成する単結晶に応じて適宜選択される。炭化珪素(SiC)の単結晶を育成する場合には、例えば、次の組合せが挙げられる。坩堝10の形成材料としては、炭素元素を含む材料が用いられ、例えばグラファイト(石墨)が挙げられる。また、原料融液60として珪素の溶融液が第1の溶媒として用いられる。また、第2の溶媒として、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、錫(Sn)、スカンジウム(Sc)、ニッケル(Ni)などを必要に応じて採用してもよい。この原料融液60には、炭素(C)が溶質として溶解される。
【0022】
また、窒化ガリウム(GaN)の単結晶を育成する場合には、例えば、次の組合せが挙げられる。坩堝10の形成材料としては、窒化ホウ素(BN)が用いられる。原料融液60としてガリウム(Ga)の溶融液が第1の溶媒として用いられる。また、第2の溶媒として、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、リチウム(Li)、バリウム(Ba)、Al、Sn、亜鉛(Zn)、ビスマス(Bi)、Si、Mn、インジウム(In)、アンチモン(Sb)、ストロンチウム(Sr)などを必要に応じて採用してもよい。この原料融液60には、窒素(N)が溶質として溶解される。この窒素元素は、窒化ナトリウム(NaN3)を原料融液60に溶かして溶解させてもよい。
【0023】
また、窒化アルミニウム(AlN)の単結晶を育成する場合には、例えば、次の組合せが挙げられる。坩堝10の形成材料としては、窒化アルミニウム(AlN)が用いられる。原料融液60としてAlの溶融液が第1の溶媒として用いられる。また、第2の溶媒として、Li、銅(Cu)、Sn、Ga、In、Bi、水銀(Hg)を必要に応じて採用してもよい。この原料融液60には、窒素(N)が溶質として溶解される。この窒素元素は、窒化リチウム(LiN3)を原料融液60に溶かして溶解させてもよい。
【0024】
本実施形態の加熱機構30は、種結晶61が供給されるD1方向側において析出を好適に生じさせるため、種結晶61の周囲となるD2方向側の温度がD1方向側の温度に比べて低くように加熱している。具体的には、コイル31の巻数がD1方向側に比べてD2方向側で少なくなっている。コイル31の構成をこのようにすることによって、D1方向側で生じる誘導電流を多くして、D1方向側を相対的に高温にすることができる。
【0025】
本発明の坩堝の実施形態の一例である坩堝10に関して、図2、3を参照して詳述する。この坩堝10は、収容体11と、中空体12とを含んで構成されている。
【0026】
収容体11は、原料融液60を収容する収容部11aを有する器(うつわ)である。この収容部11aは、D1方向側に窪んでおり、D2方向側が開口している。搬送機構40の引き上げ軸41は、この開口を通じて種結晶61および育成した単結晶の搬入出が行われる。
【0027】
中空体12は、収容体11の収容部11aに収容されている。この中空体12は、中空となっている中空部12aを有している。中空部12aは、第1方向D1,D2の両側において開口している。種結晶61は、この中空部12aのD2方向側の開口部に配置される。本実施形態の中空部12aは、第1中空部12bと、第2中空部12cとを含んで構成されている。
【0028】
第1中空部12bは、D1方向側からD2方向側に向かうにつれて径が小さくなっている。言い換えると、この第1中空部12bは、収容部11aの開口側に近づくにつれて径が小さくなっている。この坩堝10では、D1方向側からD2方向側に流れる原料融液60を狭い領域に集めて流すことができる。つまり、D1方向側から流入する原料融液60を集めて種結晶61に供給することができる。このD1方向側から供給される原料融液60は、相対的に多くの溶質を溶解しており、相対的に温度の低いD2方向側で溶質が析出する。したがって、この坩堝10では、種結晶61および育成中の単結晶に、高温下において多くの溶質を溶解している原料融液60を好適に供給することができる。
【0029】
第2中空部12cは、D1方向側からD2方向側にわたっての径の変化が第1中空部12bの径の変化に比べて小さくなっている。ここでいう「径の変化」とは、第1方向における長さ当たりの径の変化をいう。本実施形態の第2中空部12cは、D1方向側からD2方向側にわたって径がほぼ等しくなっている。この第2中空部12cを設けることによって、中を流れる原料融液60の流量バラツキを小さくすることができる。したがって、この坩堝10では、育成する単結晶の厚みバラツキを小さくすることができる。
【0030】
この中空体12は、脚部12dを有している。この脚部12dは、中空体12のD1方向側の開口を、収容部11aの底面から離隔させる目的で設けられている。この脚部12dが収容部11aのD1方向側の底面に接しており、中空体12は、収容部11aの内部で自立している。なお、原料融液60は、複数の脚部12dの間から流入する。
【0031】
本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【0032】
図2,3に示した中空体12は、第1中空部12bと、第2中空部12cとが一体化して形成されているが、このような構成に限られない。図4に示したように、第1中空部12Abを有する第1中空体121と、第2中空部12Acを有する第2中空体122とを含んで構成される中空体12Aであってもよい。なお、この第1中空体121と、第2中空体122とは、接着、溶着などで固着してもよいし、ネジなどを用いて固定してもよい。また、第1中空体121のうえに第2中空体122を置いて配置した場合であってもよい。
【0033】
図1に示した単結晶育成装置1では、上側(D2方向側)から種結晶61を供給しているが、下側(D1方向側)から種結晶61を供給する構成とされていてもよい。この場合、装置の構成変更に応じて、図5,6に示したように、形状の異なる坩堝10Bが採用される。
【0034】
この坩堝10Bの収容体11Bは、D1方向側に窪んでおり、D2方向側が開口しているのに加えて、D1方向側の一部が開口している。搬送機構40Bの引き上げ軸41Bは、D1方向側の開口を通じて種結晶61および育成した単結晶の搬入出が行われる。
【0035】
この坩堝10Bの中空体12は、中空となっている中空部12Baを有している。中空部12Baは、第1方向D1,D2の両側において開口している。この中空部12Baは、第1中空部12Bbと、第2中空部12Bcとを含んで構成されている。第1中空部12Bbは、D2方向側からD1方向側に向かうにつれて径が小さくなっている。言い換えると、この第1中空部12Bbは、収容部11aの開口側に近づくにつれて径が小さくなっている。第2中空部12Bcは、D1方向側からD2方向側にわたっての径の変化が第1中空部12Bbの径の変化に比べて小さくなっている。この第2中空部12Bcは、D1方向側からD2方向側にわたって径がほぼ等しくなっている。また、この中空体12Bは、脚部12Bdを有している。
【0036】
図2〜6に示した中空体12,12Bでは、収容部12a,12Baの内部に種結晶61が配置されるように構成されているが、このような構成に限られない。種結晶61は、収容部12a,12Baの外側に配置されるように構成されていてもよい。例えば図7,8に示した坩堝10Cでは、収容体11Cに収容される原料融液60のうち、中空体12CのD2方向側の開口から流出する原料融液が種結晶61に供給されるように構成されている。
【0037】
また、図9,10に示した坩堝10Dの中空体12Dは、図7,8に示した中空体12Cの構成に加えて、種結晶61に対向する上面12Deを有している。このように上面12Deを有することによって中空体12Dは、中空体12DのD2方向側の開口から流出した原料融液60を、種結晶61の表面に沿って流し、対流させることができる。そのため、坩堝10Dでは、種結晶61の表面に供給される原料融液60の量のバラツキを低減し、育成する単結晶の厚みバラツキの低減を図ることができる。
【0038】
また、図7〜10に示した中空体12C,12Dは、D2方向側の開口が円形状をしているが、このような構成に限られない。例えば図11,12に示した中空体12E,12Fように、開口の形状が一つの方向に延びていてもよい。
【0039】
図2〜12に示した中空体12,12A〜12Fは、脚部12d,12Ad〜12Fdを介して立脚しているが、このような構成に限られない。例えば図13に示したように中空体12Gを直接吊してもよいし、図14に示したように支持体13を設けて、かかる支持体13で中空体12Hを間接的に吊してもよい。このようにして、中空体12G,12Hの開口を収容体から離隔することができる場合には、脚部を設けなくても、中空体12G,12Hの開口部から原料融液60を流入させることができる。
【0040】
なお、図13に示した中空体12Gは、上部に設けられている吊り部12Geで吊しているが、吊り部が側面などの他の部位に設けられていてもよい。また、図14に示した支持体13は、開口部13aを有しているが、中空体12の開口を収容体から離隔することができる形状であれば、これに限定されるものではない。
【符号の説明】
【0041】
1・・・単結晶育成装置
10・・・るつぼ
11・・・収容体
12・・・中空体
12a・・・中空部
12b・・・第1中空部
12c・・・第2中空部
12d・・・脚部
121・・・第1中空体
122・・・第2中空体
13・・・支持体
13a・・・開口部
20・・・坩堝容器
21・・・保温材
30・・・加熱機構
31・・・コイル
32・・・交流電源
40・・・搬送機構
41・・・引き上げ軸
42・・・動力源
50・・・制御部
60・・・原料融液
61・・・種結晶
【特許請求の範囲】
【請求項1】
単結晶育成装置に配置される坩堝であって、
開口を有し、原材料を収容する収容体と、
前記収容体の内に収容され、前記開口側に向かって径が小さくなっている中空体とを含む、単結晶育成装置用坩堝。
【請求項2】
前記中空体よりも前記開口側に配置される第2の中空体をさらに含む、請求項1に記載の坩堝。
【請求項3】
前記第2の中空体は、前記中空体と一体化して形成されている、請求項2に記載の坩堝。
【請求項4】
前記中空体は、脚部を有しており、当該脚部が前記収容体に接して支持される、請求項1から3のいずれかに記載の坩堝。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれかに記載の坩堝と、
前記収容体を加熱する加熱機構と、
前記収容体に種結晶を搬送する搬送機構とを含む、単結晶育成装置
【請求項6】
前記加熱機構は、前記収容体の開口側の温度が低くなるように温度勾配を設けて加熱するように構成されている、請求項5に記載の単結晶育成装置。
【請求項1】
単結晶育成装置に配置される坩堝であって、
開口を有し、原材料を収容する収容体と、
前記収容体の内に収容され、前記開口側に向かって径が小さくなっている中空体とを含む、単結晶育成装置用坩堝。
【請求項2】
前記中空体よりも前記開口側に配置される第2の中空体をさらに含む、請求項1に記載の坩堝。
【請求項3】
前記第2の中空体は、前記中空体と一体化して形成されている、請求項2に記載の坩堝。
【請求項4】
前記中空体は、脚部を有しており、当該脚部が前記収容体に接して支持される、請求項1から3のいずれかに記載の坩堝。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれかに記載の坩堝と、
前記収容体を加熱する加熱機構と、
前記収容体に種結晶を搬送する搬送機構とを含む、単結晶育成装置
【請求項6】
前記加熱機構は、前記収容体の開口側の温度が低くなるように温度勾配を設けて加熱するように構成されている、請求項5に記載の単結晶育成装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公開番号】特開2012−17214(P2012−17214A)
【公開日】平成24年1月26日(2012.1.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−153784(P2010−153784)
【出願日】平成22年7月6日(2010.7.6)
【出願人】(000006633)京セラ株式会社 (13,660)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年1月26日(2012.1.26)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年7月6日(2010.7.6)
【出願人】(000006633)京セラ株式会社 (13,660)
【Fターム(参考)】
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