JP2019094251A - Method for manufacturing single crystal - Google Patents
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Description
本発明は、単結晶製造方法に関する。 The present invention relates to a method of producing a single crystal.
単結晶の製造方法としては、原料を充填したルツボを加熱溶融した後に、原料融液表面から種結晶を接触させ、種結晶を上昇させながら結晶育成を行うチョクラルスキー法が広く普及している。 As a method of producing a single crystal, the Czochralski method is widely in widespread use, in which a crucible filled with a raw material is heated and melted, and then a seed crystal is brought into contact from the surface of the raw material melt and crystal growth is carried out while raising the seed crystal. .
結晶育成では、投入した原料からできるだけ長尺の単結晶を育成して固化率(投入した原料重量に対する育成された単結晶の重量比)を大きくした方が経済的である。しかし、長尺単結晶を育成すると、多結晶化しやすいという課題がある。 In crystal growth, it is more economical to grow a single crystal as long as possible from the input raw material and increase the solidification ratio (the weight ratio of the grown single crystal to the weight of the input raw material). However, there is a problem that when a long single crystal is grown, it tends to be polycrystalline.
長尺化により多結晶化が発生しやすくなる原因として、結晶内の温度差と結晶育成中の炉内温度分布の変化が考えられる。結晶内の温度差は、同一直径の結晶で比較すると、長尺化する分だけ、結晶上下の温度差が大きくなる。そのため、温度差に起因した熱ひずみが発生し、多結晶化が発生すると考えられる。また、結晶育成に伴い、結晶は上方に移動しかつ、原料融液表面位置は降下することとなる。そのため、結晶を長尺化するほど育成初期と結晶位置及び融液表面位置が乖離し、結晶育成が進行する結晶と融液の界面(固液界面)の温度環境がずれる。これにより、固液界面形状が変化し、多結晶化の起点になっていると考えられる。 Changes in the temperature difference in the crystal and the temperature distribution in the furnace during crystal growth can be considered as the causes of the tendency to cause polycrystallization due to the lengthening. The temperature difference in the crystal is larger in the temperature difference between the top and bottom of the crystal as the crystals having the same diameter are compared. Therefore, it is considered that thermal strain occurs due to the temperature difference and polycrystallization occurs. In addition, as the crystal grows, the crystal moves upward and the surface position of the raw material melt descends. Therefore, as the crystals become longer, the initial crystal position and the crystal position and the melt surface position deviate, and the temperature environment of the interface between the crystal and the melt (solid-liquid interface) where the crystal growth proceeds advances. Thereby, it is thought that the solid-liquid interface shape is changed, which is the starting point of polycrystallization.
結晶育成時の固液界面形状は重要である。結晶育成中に発生した転位は、固液界面に垂直方向に伝播する。そのため、固液界面形状が結晶側に凹形状、即ち結晶の底面が上方に窪んだ形状となると、結晶中の転位が成長とともに結晶引上げ軸方向に集積し、多結晶化現象が発生する。非特許文献1では、固液界面の形状、特に外周部の形状が結晶側に凹形状(結晶の底面が上方に窪んだ形状)かつ、その曲率中心が結晶の内側にある場合に、多結晶化することが示されている。それを解消するために、炉内の温度分布を調整し、結晶外周部に発生する凹形状の曲率中心を結晶の外側とし、結晶育成の開始から終了まで維持することで、長尺結晶を得ている。 The solid-liquid interface shape during crystal growth is important. Dislocations generated during crystal growth propagate in the direction perpendicular to the solid-liquid interface. Therefore, when the solid-liquid interface shape is concave toward the crystal, that is, the bottom of the crystal is recessed upward, dislocations in the crystal grow and accumulate in the crystal pulling axis direction, and a polycrystallization phenomenon occurs. In Non-Patent Document 1, when the shape of the solid-liquid interface, in particular, the shape of the outer peripheral portion is concave toward the crystal side (shape where the bottom of the crystal is recessed upward) and the center of curvature is inside the crystal, polycrystal Has been shown to In order to solve this, the temperature distribution in the furnace is adjusted, the concave curvature center generated in the crystal outer peripheral portion is made the outside of the crystal, and the crystal growth is maintained from the start to the end to obtain a long crystal. ing.
また、固液界面形状を維持するための方法として、特許文献1では、残融液の高さと直径の比から適切な回転数を求めることで、固化率が変化した場合にも適切な結晶回転数を決定し、固液界面を平坦かつ一定とする技術が開示されている。 In addition, as a method for maintaining the solid-liquid interface shape, Patent Document 1 determines the appropriate number of rotations from the ratio of the height of the residual liquid to the diameter of the residual melt, so that the crystal rotation is also appropriate even when the solidification rate changes. A technique for determining the number and making the solid-liquid interface flat and constant is disclosed.
しかしながら、非特許文献1及び特許文献1に記載の方法で界面形状の維持を試みたが、実際には界面形状が変動した。非特許文献1に記載の方法では、特に、高固化率時に界面形状の変動が顕著になった。固化率が0.5程度であると従来技術により固液界面形状の制御が可能であり、歩留まりを高くすることができる。しかしながら、結晶長尺化の要請により、固化率が0.7以上の場合には、界面形状変動に起因して多結晶化が発生し、長尺単結晶の歩留まりが悪化した。 However, although the maintenance of the interface shape was attempted by the methods described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, the interface shape fluctuated in practice. In the method described in Non-Patent Document 1, the variation of the interface shape becomes remarkable particularly at a high solidification rate. If the solidification rate is about 0.5, the solid-liquid interface shape can be controlled by the prior art, and the yield can be increased. However, due to the requirement of crystal lengthening, when the solidification rate is 0.7 or more, polycrystallization occurs due to interface shape fluctuation, and the yield of long single crystals is deteriorated.
また、特許文献1に記載の方法は、平坦な固液界面形状を維持する方法であり、わずかな条件の変化で、固液界面形状が結晶側に凹形状(結晶の底面が上方に窪む形状)となり、多結晶化や融液から切り離れてしまう現象が発生した。 Further, the method described in Patent Document 1 is a method of maintaining a flat solid-liquid interface shape, and the solid-liquid interface shape is concave toward the crystal side (the bottom of the crystal is recessed upward) with a slight change in conditions. And the phenomenon of being separated from polycrystallization and the melt.
そこで、本発明は、上記事情に鑑み、歩留まりが高く、育成結晶の長尺化に対応できる単結晶製造方法を提供することを目的とする。 Then, in view of the above-mentioned circumstances, an object of the present invention is to provide a single crystal manufacturing method which has a high yield and can cope with the lengthening of grown crystals.
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る単結晶製造方法は、原料融液に種結晶を接触させてから該種結晶を回転させながら引き上げて単結晶を育成する単結晶製造方法であって、
前記単結晶の底面が下方に所定の突出高さを維持して突出するように前記単結晶の回転速度を制御しながら前記単結晶を育成する単結晶育成工程を有し、
該単結晶育成工程は、前記原料融液から前記単結晶に固化した重量比率を示す固化率が所定の値となった前後において、前記回転速度と前記突出高さとの関係を示す関係特性が異なる2つの特性に基づいて前記単結晶の回転速度を制御する第1及び第2の単結晶育成工程を含む。
In order to achieve the above object, a single crystal production method according to an aspect of the present invention is a single crystal production method in which a seed crystal is brought into contact with a raw material melt and then pulled while rotating the seed crystal to grow a single crystal. There,
And a single crystal growing step of growing the single crystal while controlling the rotational speed of the single crystal such that the bottom surface of the single crystal protrudes downward while maintaining a predetermined protruding height.
In the single crystal growing step, the relationship characteristic indicating the relationship between the rotational speed and the protrusion height is different before and after the solidification ratio indicating the weight ratio of the raw material melt solidified to the single crystal becomes a predetermined value. The method includes first and second single crystal growing steps of controlling the rotation speed of the single crystal based on two characteristics.
本発明の一態様によれば、低コストで歩留まりが高く、育成結晶の長尺化に対応できる単結晶製造方法を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a method for producing a single crystal which is low in cost, has a high yield, and can cope with the lengthening of grown crystals.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
チョクラルスキー法は、ある結晶方位に従って切り出された種結晶と呼ばれる単結晶の先端を、原料融液に接触させ、回転しながら徐々に引上げることによって、種結晶の性質を伝播しながら大口径化して単結晶を製造する方法である。 In the Czochralski method, the tip of a single crystal called a seed crystal cut out according to a certain crystal orientation is brought into contact with the raw material melt, and pulled gradually while rotating, thereby propagating the properties of the seed crystal while large diameter Method to produce a single crystal.
図1は、本発明の実施形態に係る結晶育成装置の一例を示した概要図である。図1に示されるように、本実施形態に係る結晶育成装置は、ルツボ10と、支持台20と、耐火物30と、高周波誘導コイル40と、引き上げ軸50と、を備える。そして、ルツボ10、耐火物30及び高周波誘導コイル40を含めた全体を、チャンバー60が覆っている。高周波誘導コイル40は、ルツボ10を加熱する加熱手段である。また、更にチャンバー60の外側には、高周波誘導コイル40に高周波電力を供給するために電源70と、結晶育成装置の全体の動作を制御する制御部80が設けられている。また、ルツボ10内には原料融液90が貯留されており、引上げ軸50の下端には、種結晶100が保持されている。更に、引上げ軸50の上部には、引上げ軸50を回転させる回転機構としてモーター51が設けられ、図示されていないが、モーター51とほぼ同じ位置に、単結晶の重量を測定するロードセルが設けられている。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a crystal growth apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the crystal growth apparatus according to the present embodiment includes a
次に、個々の構成要素について説明する。 Next, individual components will be described.
ルツボ10は、原料融液90を貯留保持し、単結晶を育成するための容器である。結晶原料は、結晶化する金属等が溶融した原料融液90の状態で保持される。ルツボ10の材質は、結晶原料の種類にもよるが、例えば、耐熱性のある白金やイリジウム等で作製される。
The
支持台20は、ルツボ10を下方から支持する載置台として設けられる。支持台20は、高周波誘導コイル40の加熱に耐え得る十分な耐熱性及びルツボ10を支持する耐久性を有すれば、種々の材料から構成されてよい。図1に示される通り、支持台20は、ルツボ10の他、耐火物30も支持するように構成されてもよい。
The support table 20 is provided as a mounting table for supporting the
耐火物30は、ルツボ10の高周波誘導コイル40による発熱を内部に保持し、外部への放出を防ぐ役割を果たす。耐火物30は、耐熱性の高い材料で構成される。よって、耐火物30は、ルツボ10を取り囲むように設けられる。耐火物30も、支持台20上に載置されて設けられてよい。また、耐火物30は、天井面に開口31を有し、引き上げ軸50を挿入可能に構成される。
The refractory 30 holds the heat generated by the high
高周波誘導コイル40は、ルツボ10を誘導加熱するための手段であり、ルツボ10及び耐火物30の周囲を囲むように配置される。高周波誘導コイル40は、ルツボ10を誘導加熱できればその種類や形態は問わない。誘導加熱コイル40は、交流電流によりルツボ10に渦電流を発生させ、そのジュール熱でルツボ10を加熱する。
The high
電源70は、高周波誘導コイル40に高周波電力を供給する高周波電源として構成される。電源80は、高周波誘導コイル40のみならず、結晶育成装置全体に電源供給を行う。
The
引き上げ軸50は、種結晶100を保持し、ルツボ10に貯留された原料融液90の表面に種結晶100を接触させ、回転しながら単結晶を引き上げるための手段である。引き上げ軸50は、種結晶100を下端部に保持するとともに、回転機構であるモーター51を備える。なお、モーター51は、単結晶の引き上げの際、単結晶を回転させながら引き上げる動作を行うための回転駆動機構である。また、上述のように、モーター51とほぼ同じ位置に、単結晶の重量を計測するロードセル(図示せず)が設けられている。
The
チャンバー60は、ルツボ10及び高周波誘導コイル40の高熱を遮断するとともに、これらを収容し、内部の雰囲気を保持する機能を有する。チャンバー60は、熱を外部に逃さないため、図示しない水冷ジャケットが壁面の内部に設けられており、水冷ジャケットを水が循環することにより冷却される。
The
制御部80は、結晶育成装置全体の制御を行うための手段であり、結晶育成プロセスを含めて結晶育成装置全体の動作を制御する。制御手段は、例えば、CPU(Central Processing Unit、中央処理装置、及びROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等のメモリを備え、プログラムにより動作するマイクロコンピュータから構成されてもよいし、特定の用途のために開発されたASIC(Application Specified Integra Circuit)等の電子回路から構成されてもよい。
The
なお、制御部80は、引上げ軸50の回転速度を制御してもよい。例えば、モーター51の回転速度を制御することにより、引上げ軸50の回転速度を制御し、種結晶100及び単結晶の回転速度を制御することができる。
The
本実施形態に係る結晶育成装置は、種々の結晶原料に適用することができ、結晶原料の種類は問わないが、例えば、タンタル酸リチウム原料を用いてもよい。その他、種々の酸化物単結晶を育成するための結晶原料を用いることができる。 The crystal growth apparatus according to the present embodiment can be applied to various crystal raw materials, and there is no limitation on the type of the crystal raw material. For example, a lithium tantalate raw material may be used. In addition, crystal raw materials for growing various oxide single crystals can be used.
次に、単結晶の製造方法の全体的な流れについて説明する。 Next, the entire flow of the method of manufacturing a single crystal will be described.
単結晶の製造では、単結晶原料を充填したルツボ10を、高周波誘導コイル40を用いた高周波誘導加熱により加熱させ、原料融液90を得る。その後、引上げ軸50の下端に保持された種結晶100を回転させながら原料融液90の表面に接触させ、種結晶100を引上げ軸50で回転させながら引き上げ、単結晶の製造を行う。結晶育成方法は特に限定されず、公知の技術が利用できる。
In the production of a single crystal, a
次に、本実施形態に係る単結晶製造方法において実施する制御方法について説明する。 Next, a control method implemented in the method of manufacturing a single crystal according to the present embodiment will be described.
結晶直径制御の手段として、上述のロードセルを用いて重量変化量を計測し、この重量変化量をもとに直径を計算している(演算直径)。この演算直径と目標直径を比較し、投入出力を調整することで、所望の結晶形状を得ている。この演算直径を計算する場合に、固液界面形状は一定の形状と仮定している。そのため、固液界面形状の変化により生じる重量変化も演算直径に反映される。よって、演算直径が一定であっても固液界面形状が変動した場合には、得られる結晶の直径が一定とならない。 As a means of crystal diameter control, the weight change amount is measured using the above-mentioned load cell, and the diameter is calculated based on this weight change amount (calculated diameter). A desired crystal shape is obtained by comparing the calculated diameter with the target diameter and adjusting the input output. When calculating this operation diameter, the solid-liquid interface shape is assumed to be a constant shape. Therefore, the change in weight caused by the change in the solid-liquid interface shape is also reflected in the calculated diameter. Therefore, even if the calculated diameter is constant, when the solid-liquid interface shape changes, the diameter of the obtained crystal does not become constant.
固液界面形状が変動することにより、得られた単結晶に直径変動が生じる。この直径変動によりウエハ切断時の歩留まりの低下が発生する。また、固液界面形状が変動し、部分的であっても結晶側に凹形状となり、単結晶の底面が窪んだ形状となった場合には、転位の集積による多結晶化発生のリスクが高まる。そのため、結晶育成開始から終了までは単結晶の底面を下方に略円錐状に突出させ、固液界面形状を融液側に凸形状とし、一定に保つことが理想である。 Fluctuation in the solid-liquid interface shape causes diameter fluctuation in the obtained single crystal. The variation in diameter causes a reduction in yield at the time of wafer cutting. In addition, the shape of the solid-liquid interface fluctuates, and even if it is partial, it becomes concave on the crystal side, and when the bottom of the single crystal is recessed, the risk of occurrence of polycrystallization due to dislocation accumulation increases. . Therefore, from the crystal growth start to the end, it is ideal that the bottom surface of the single crystal protrudes downward in a substantially conical shape, and the solid-liquid interface shape is convex on the melt side and kept constant.
図2は、単結晶と原料融液90との間の固液界面形状の例を示した図である。図2(a)に示されるように、原料融液90(以下、単に「融液90」と呼んでもよいこととする。)と単結晶110との界面は、種々の形状となり得る。図2(b)に示されるように、単結晶110の底面が下に突出するような形状が好ましい。図2(c)に示されるような単結晶110の底面が上方に窪んだ形状は、多結晶化のリスクが高まり、好ましくない形状と言える。
FIG. 2 is a view showing an example of the solid-liquid interface shape between the single crystal and the
なお、凸形状及び凹形状の限定は特に無いが、凸形状及び凹形状の双方とも円錐形状に近似した形状となり、中心部が最も大きく突出するか又は窪み、テーパー形状をなすように凸形状及び凹形状が形成される。 Although there is no particular limitation on the convex shape and the concave shape, both the convex shape and the concave shape are similar to a conical shape, and the central portion projects most greatly or is a convex shape so as to form a recess or a tapered shape. A concave shape is formed.
固液界面形状は、融液90内の温度分布を反映しており、等温線の形状となると考えられる。そのため、固液界面形状を一定とするためには、育成開始から終了まで融液90内の固液界面近傍の温度分布を一定にすることが望まれる。しかし、結晶育成に伴い育成単結晶110(以下、単に「結晶110」と呼んでもよいこととする。)は上方に移動しかつ、融液90の表面位置は低下する。このような炉内の変化により融液内温度分布が変化し、固液界面形状も変化してしまう。
The solid-liquid interface shape reflects the temperature distribution in the
融液90内には、ルツボ壁で加熱された融液が温度差(密度差)に起因してルツボ壁から結晶110に向かって流れる自然対流が存在する。また、融液90と接触した結晶110を回転することにより、強制対流が発生する。強制対流は、結晶110の回転につられて回りながら自然対流と逆向きに流れる対流である。強制対流は、結晶110の回転数(回転速度)に比例して大きくなる。この強制対流の大きさを結晶回転数(結晶回転速度)により制御することで固液界面近傍の融液温度分布を変化させて、固液界面形状を制御することが可能となる。強制対流が大きい状態では、ルツボ10の下方及び径方向へ強制対流の領域が広がり、固液界面近傍と比較して温度の高い融液90が固液界面に移動することになる。そのため、固液界面形状は、融液90側に凸状(結晶110の底面が突出)の場合には、その高さが減少する。さらに強制対流が大きくなると結晶側に凹形状(結晶110の底面中央部が上方に窪む)の固液界面形状へと変化する。
In the
つまり、自然対流と強制対流のバランスを維持し、固液界面近傍の融液温度分布を一定に保つことが固液界面形状を一定に維持するために必要であると考えられる。仮に、育成開始から終了までに同じ結晶回転数(結晶回転速度)で結晶育成を行うと、融液高さ減少に伴い自然対流が小さくなるため、強制対流の影響が徐々に大きくなる。その場合、育成開始時に結晶110が融液90側に凸状であれば、その凸部の高さ(結晶110の底面を基準として下方に延びる凸部の高さ、又は鉛直方向における凸部の長さを意味し、以後、「突出高さ」とも呼ぶ)が結晶育成とともに減少して行くことになる。このため、固液界面形状の変化に伴う結晶直径の変動や固液界面の部分的な凹形状化に起因した多結晶化が発生しやすくなる。そこで、融液高さ低下に伴う自然対流の変化に合わせて、結晶回転数(結晶回転速度)を減少させて、強制対流の影響により凸部の高さが小さくなることを抑えながら固液界面形状を維持することを行っていた。しかし、この方法により固化率0.7以上の結晶育成を行ったところ、固液界面形状(凸部の高さ)を維持できなかった。そこで、固化率0.7以上の結晶育成で、固液界面形状の融液側に凸状になった凸部の高さと結晶回転数について調査を行った。その結果、従来と逆の結果となった。つまり、固液界面形状の融液側に凸状になった凸部の高さを減少させるために、結晶回転数を大きくしたところ凸部の高さが高くなる現象が見られた。結晶回転数を小さくしたところ、凸部の高さが低くなった。
That is, it is considered that maintaining the balance between natural convection and forced convection and keeping the melt temperature distribution in the vicinity of the solid-liquid interface constant is necessary to maintain the solid-liquid interface shape constant. If crystal growth is performed at the same crystal rotational speed (crystal rotation speed) from the start to the end of growth, natural convection decreases as the melt height decreases, so the influence of forced convection gradually increases. In that case, if the
図3は、固化率0.7以上の結晶育成を行った結果を示した図である。図3は、直径100mmのタンタル酸リチウム結晶を固化率0.75の状態で得たデータである。結晶回転数(結晶回転速度、rpm)と固液界面形状の凸部の高さ(下方への突出高さ)に相関がみられることから、強制対流と固液界面形状の相関と読み取ることも出来る。例えば結晶直径を150mmとした場合には、結晶径増大により強制対流の影響が大きくなると考えられる。よって、図3で得られた直線の傾きが大きくなり、結晶回転数の影響が大きくなると推察される。 FIG. 3 is a view showing the results of crystal growth with a solidification rate of 0.7 or more. FIG. 3 shows data obtained from a lithium tantalate crystal with a diameter of 100 mm at a solidification rate of 0.75. Since there is a correlation between the crystal rotation speed (crystal rotation speed, rpm) and the height of the convex part of the solid-liquid interface shape (projecting height downward), it is also possible to read the correlation between forced convection and solid-liquid interface shape It can. For example, in the case where the crystal diameter is 150 mm, it is considered that the influence of forced convection is increased by the increase in crystal diameter. Therefore, it is presumed that the inclination of the straight line obtained in FIG. 3 becomes large, and the influence of the crystal rotation number becomes large.
また、固化率がさらに上昇した場合には、融液高さの減少により、自然対流の影響が小さくなり、同一の結晶回転数であっても相対的に強制対流の影響が大きくな。この場合にも、図3で得られた直線の傾きが大きくなり、結晶回転数の影響が大きくなる。 In addition, when the solidification rate further increases, the influence of natural convection becomes small due to the decrease of the melt height, and the influence of forced convection becomes relatively large even at the same crystal rotation number. Also in this case, the slope of the straight line obtained in FIG. 3 becomes large, and the influence of the crystal rotation number becomes large.
いずれの場合においても、図3と同様な結晶回転数と固液界面の凸部の高さ(下方への突出高さ)の関係を調査することで、所望の固液界面形状を得るための結晶回転数を容易に求めることが可能である。 In any case, the desired solid-liquid interface shape can be obtained by investigating the relationship between the number of crystal rotations and the height of the convex portion at the solid-liquid interface (the downward protrusion height) as in FIG. It is possible to easily determine the crystal rotation number.
固化率が0.7よりも小さく、残融液高さが十分である場合、強制対流は、育成結晶110の固液界面下方からルツボ壁に向かう流れとなる。そのため、強制対流が強い(結晶回転数が大きい)条件下の固液界面近傍は、下方から温度が高い融液90が輸送され温度が上昇し、凸部の高さが減少する。
When the solidification rate is smaller than 0.7 and the residual liquid height is sufficient, forced convection flows from below the solid-liquid interface of the grown
一方、固化率0.7以上の場合には、残融液高さが低い状態にある。この場合にも、結晶回転により強制対流が発生する。しかし、残融液高さが小さい場合の強制対流は、結晶回転に沿ってのみ発生する。そのため、固液界面下方から温度の高い融液90がルツボ壁に輸送されることは無い。また、結晶110に沿って周回しながらルツボ10の下方へ融液90が流れるため、融液90は固液界面近傍で冷却され、ルツボ10の底部に流れる。そのため、固液界面の凸部下方の温度が低下し、結晶110は下方へ成長しやすくなり、凸部の高さが高くなりやすい。この様な下方への結晶成長は、強制対流が強い(結晶回転数が大きい)場合に促進される。その結果、固化率が0.7以上の場合には、固液界面の凸部の高さは結晶回転数に比例することになる。そのため、結晶回転数が大きすぎる場合には、凸部の高さが高くなりすぎて、最終的には残融液の高さと等しくなると、ルツボ底部と接触し結晶育成の継続が出来なくなる。
On the other hand, when the solidification rate is 0.7 or more, the residual melt height is low. Also in this case, forced convection occurs due to crystal rotation. However, forced convection when the retentate height is small occurs only along the crystal rotation. Therefore, the
また、固化率が0.7以上の場合には、残融液高さが低く、結晶先端部とルツボ底部の距離が近づく。ルツボ底部は、ルツボ10を支える支持台20からの放熱があるため、温度が低くなりやすい。そのため、固化率が高い状態では、固液界面の凸部高さが高くなりやすい傾向にある。仮に、結晶回転数を同一とした場合には、上述の理由により固化率が上昇すると凸部の高さが高くなる傾向にある。さらに、結晶回転による強制対流の影響を受けることで、前記のように高固化率の状態では、結晶回転数の増加により結晶下部の融液温度が低下し、凸部の高さは高くなりやすい傾向であった。
When the solidification rate is 0.7 or more, the height of the residual liquid is low, and the distance between the crystal front end and the crucible bottom approaches. The temperature at the bottom of the crucible tends to be low because there is heat radiation from the
すなわち、固化率が小さく、融液高さが高い状態では、固液界面の凸部の高さと結晶回転数は反比例の関係にあるが、固化率が0.7以上の状態ではその関係は比例の関係にあることが分かった。そこで、固液界面形状の凸部の高さH(突出高さ)と結晶回転数ωの関係を次式(1)により求め、高固化率の状態で固液界面形状を制御する必要がある。 That is, when the solidification ratio is small and the melt height is high, the height of the convex portion at the solid-liquid interface is in inverse proportion to the crystal rotation number, but when the solidification ratio is 0.7 or more, the relationship is proportional It turned out that it is in relation. Therefore, it is necessary to obtain the relationship between the height H (protruding height) of the convex part of the solid-liquid interface shape and the crystal rotational speed ω by the following equation (1) to control the solid-liquid interface shape in a high solidification rate state .
H=aω+b・・・(1)
ここで、a、bは実験により求められる定数であり、0<aである。
H = aω + b (1)
Here, a and b are constants obtained by experiments, and 0 <a.
図4に、(1)式をグラフ化した図を示す。即ち、図4は、固化率が所定位置以上、例えば固化率が0.7以上の場合の単結晶の回転速度と底面の突出高さ(凸部高さH)との関係を示した図である。 FIG. 4 shows a graph of the equation (1). That is, FIG. 4 is a view showing the relationship between the rotational speed of the single crystal and the protruding height of the bottom surface (convex height H) when the solidification rate is equal to or higher than a predetermined position, for example, the solidification rate is 0.7 or higher. is there.
図4に示される通り、固化率が大きくなり、例えば0.7以上の場合には、(1)式を満たす関係にあり、結晶110の回転速度が高くなる程、結晶110の底面の下方への突出高さが増加する。よって、突出高さを所定の値、例えば10〜20mmの間の所定値に維持したい場合には、回転速度を徐々に遅くする制御を行うことになる。
As shown in FIG. 4, the solidification ratio increases, and for example, in the case of 0.7 or more, the relationship is satisfied with equation (1), and the lower the bottom of
図5は、固化率が所定値未満、例えば0.7未満の場合の結晶110の回転速度と底面の突出高さ(凸部高さH)との関係を示した図である。固化率が所定値未満の場合には、下記の(2)式を満たす関係にある。
FIG. 5 is a view showing the relationship between the rotational speed of the
H=c/ω+d・・・(2)
ここで、c、dは実験により求められる定数であり、0<cである。
H = c / ω + d (2)
Here, c and d are constants obtained by experiments, and 0 <c.
図5に示されるように、固化率が0.7未満のときには、単結晶110の底面の突出高さは、単結晶110の回転速度に反比例する。つまり、回転速度を高くすると、単結晶110の底面が上方に窪んでゆく傾向があるので、徐々に回転速度を低くする制御を行うことにより、単結晶110の底面の突出高さを一定の値に保つことができる。
As shown in FIG. 5, when the solidification rate is less than 0.7, the protrusion height of the bottom of the
このように、本実施形態に係る単結晶製造方法では、所定の固化率の前後において、単結晶110の回転速度と単結晶110の底面の下方突出高さとの関係特性が異なる2つの特性を用いて、引上げ軸50及び単結晶110の回転速度の制御を行う。即ち、固化率が所定値未満のときには、単結晶110の回転速度と単結晶110の底面の下方突出高さとの関係特性が反比例の関係にある特性(図5)に基づいて回転速度の制御を行い、固化率が所定値以上のときには、単結晶110の回転速度と単結晶110の底面の下方突出高さとの関係特性が比例関係にある特性(図4)に基づいて回転速度の制御を行う。このような2段階の回転速度制御を採用することにより、単結晶110の底面の突出高さを一定とし、多結晶化を防ぎつつ単結晶110の長尺化を達成することができる。
As described above, in the single crystal manufacturing method according to the present embodiment, two characteristics having different relationship characteristics between the rotation speed of the
なお、本実施形態に係る単結晶製造方法は、固化率が0.7以上の所定値である場合に好適に適用可能であるが、製造プロセスの条件により種々変化し、0.6以上の所定値であれば適用できる場合もある。所定値となる固化率の上限は特に限定されないが、固化率が0.6以上0.95以下の所定値、好ましくは0.7以上0.95以下の範囲の固化率に好適に適用することができる。 In addition, although the single crystal manufacturing method which concerns on this embodiment is suitably applicable when a solidification rate is predetermined value or more of 0.7, it changes variously with the conditions of a manufacturing process, and the predetermined | prescribed value of 0.6 or more It may be applicable if it is a value. The upper limit of the solidification ratio to be a predetermined value is not particularly limited, but the solidification ratio is suitably applied to a predetermined value of 0.6 or more and 0.95 or less, preferably 0.7 or more and 0.95 or less. Can.
また、回転速度は、上述のように、制御部80がモーター52を制御することにより制御してよい。また、原料融液90の固化率は、上述のように、ロードセルで単結晶110の重量を測定し、計算により求めることができる。
Also, the rotational speed may be controlled by the
次に、本実施形態に係る単結晶製造方法を実施した実施例について説明する。 Next, an example in which the method for producing a single crystal according to the present embodiment is implemented will be described.
以下、本発明の実施例について比較例を挙げて具体的に説明する。以下の説明では、一例としてタンタル酸リチウム単結晶育成方法について説明する。また、理解の容易のため、図1で説明した結晶育成装置の構成要素に対応する構成要素には、同一の参照符号を付して説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be specifically described with reference to comparative examples. In the following description, a lithium tantalate single crystal growth method will be described as an example. Further, in order to facilitate understanding, the same reference numerals are assigned to components corresponding to the components of the crystal growth apparatus described in FIG.
イリジウム製のルツボ10にタンタル酸リチウムの原料が充填され、ルツボ10を銅製の高周波誘導コイル40によって加熱する。ルツボ10内のタンタル酸リチウム原料を融解させて原料融液90とした。そして、イリジウム製の引上げ軸50の下端に保持した種結晶100を原料融液90に接触させ、引上げ軸50を1〜20rpmで回転させながら1〜5mm/hの速度で垂直に引き上げることによって、種結晶100から連続的に単結晶を得た。具体的には、シーディング時の結晶回転数を20rpmとし、結晶成長の進行とともに結晶回転数を減少させた。固化率0.7までに結晶回転数を3rpmまで下げた。この操作により育成中結晶110の固液界面の凸部高さが15mmに一定となった。
A
ここで、固化率が0.7以上となった時に、(1)式中のa=3.3、b=12.9の値を得た。育成初期の固液界面形状の凸部の高さを維持するために、原料融液減少とともに結晶回転数を減少させた。具体的には、固化率が0.75のときには、育成初期と同様の凸部の高さ(15mm)となるように(1)式で求めた結晶回転数1rpmにより育成を実施した。 Here, when the solidification rate became 0.7 or more, values of a = 3.3 and b = 12.9 in the formula (1) were obtained. In order to maintain the height of the convex portion of the solid-liquid interface shape in the initial stage of growth, the number of crystal rotations was decreased along with the decrease in the raw material melt. Specifically, when the solidification rate was 0.75, the growth was performed at a crystal rotation number of 1 rpm obtained by the equation (1) so that the height of the convex portion (15 mm) was the same as in the initial stage of growth.
結晶育成の結果、固化率が0.7以上でも直径変動や多結晶化の発生が無く単結晶を得ることが出来た。
[比較例1]
As a result of crystal growth, even when the solidification rate was 0.7 or more, it was possible to obtain a single crystal without occurrence of diameter fluctuation and polycrystallization.
Comparative Example 1
原料融液減少とともに結晶回転数を減少させ、固化率が0.7となった時に、回転数を3rpmに一定として結晶育成を継続させたこと以外は、実施例と同様の操作を行った。 The same operation as in the example was performed except that the crystal rotation number was decreased with the decrease of the raw material melt, and when the solidification rate was 0.7, the rotation number was kept constant at 3 rpm and the crystal growth was continued.
結晶育成の結果、固化率が0.7以上の部分から結晶直径が減少し、多結晶化した。また、固化率0.75で結晶成長を終了し、固液界面形状を確認すると、固液界面形状の凸部の高さが育成初期よりも大きくなり、約22mmとなった。
[比較例2]
As a result of crystal growth, the crystal diameter decreased from the portion where the solidification rate was 0.7 or more, and polycrystallized. Further, when crystal growth was finished at a solidification rate of 0.75 and the solid-liquid interface shape was confirmed, the height of the convex portion of the solid-liquid interface shape became larger than the initial stage of growth, and became about 22 mm.
Comparative Example 2
原料融液減少とともに結晶回転数を減少させ、固化率が0.7以上となったところで、育成初期の固液界面形状を維持する目的で、結晶回転数を3rpmから5rpmに上げて凸部高さが低くなるように操作したこと以外は、実施例と同様の操作を行った。 The crystal rotation number is reduced with the decrease of the raw material melt, and when the solidification rate is 0.7 or more, the crystal rotation number is increased from 3 rpm to 5 rpm for the purpose of maintaining the solid-liquid interface shape at the initial stage of growth. The same operation as in the example was performed except that the operation was performed so as to be low.
結晶育成の結果、固化率が0.7以上の部分で結晶直径が減少し多結晶化した。また、固化率0.75で結晶成長を終了し、固液界面形状を確認すると、固液界面形状の凸部の高さが育成初期よりも大きくなり約25mmとなった。 As a result of crystal growth, the crystal diameter decreased and polycrystallized at a portion where the solidification rate was 0.7 or more. Further, when the crystal growth was completed at a solidification rate of 0.75 and the solid-liquid interface shape was confirmed, the height of the convex portion of the solid-liquid interface shape became larger than the initial stage of growth, and became about 25 mm.
このように、本実施例によれば、固化率が0.7以上の長尺化した結晶を製造する場合であっても、多結晶化されない良質な単結晶を得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, even in the case of producing a crystal in which the solidification ratio is elongated 0.7 or more, it is possible to obtain a good-quality single crystal which is not polycrystalline.
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments and examples of the present invention have been described above in detail, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and can be applied to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. Various modifications and substitutions can be made.
10 ルツボ
20 支持台
30 耐火物
40 高周波誘導コイル
50 引き上げ軸
51 モーター
60 チャンバー
70 電源
80 制御部
90 原料融液
100 種結晶
110 単結晶
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る単結晶製造方法は、原料融液に種結晶を接触させてから該種結晶を回転させながら引き上げて単結晶を育成する単結晶製造方法であって、
前記単結晶の底面が下方に所定の突出高さを維持して突出するように前記単結晶の回転速度を制御しながら前記単結晶を育成する単結晶育成工程を有し、
該単結晶育成工程は、前記回転速度と前記単結晶の底面の前記突出高さとの関係特性が、前記原料融液から前記単結晶に固化した重量比率を示す固化率の所定の値の前後において異なっており、前記所定の値により分けられる各領域において、異なる前記関係特性に基づいて、前記単結晶の回転速度を制御する第1及び第2の単結晶育成工程を含む。
In order to achieve the above object, a single crystal production method according to an aspect of the present invention is a single crystal production method in which a seed crystal is brought into contact with a raw material melt and then pulled while rotating the seed crystal to grow a single crystal. There,
And a single crystal growing step of growing the single crystal while controlling the rotational speed of the single crystal such that the bottom surface of the single crystal protrudes downward while maintaining a predetermined protruding height.
In the single crystal growing step, the relationship characteristic between the rotation speed and the protruding height of the bottom surface of the single crystal is before and after a predetermined value of a solidification ratio indicating a weight ratio solidified from the raw material melt to the single crystal. different and in each region is divided by the predetermined value, based on the relational characteristics different, including first and second single crystal growth step of controlling the rotational speed of the single crystal.
Claims (6)
前記単結晶の底面が下方に所定の突出高さを維持して突出するように前記単結晶の回転速度を制御しながら前記単結晶を育成する単結晶育成工程を有し、
該単結晶育成工程は、前記原料融液から前記単結晶に固化した重量比率を示す固化率が所定の値となった前後において、前記回転速度と前記突出高さとの関係を示す関係特性が異なる2つの特性に基づいて前記単結晶の回転速度を制御する第1及び第2の単結晶育成工程を含む単結晶製造方法。 A method for producing a single crystal, comprising bringing a seed crystal into contact with a raw material melt and pulling it while rotating the seed crystal to grow a single crystal,
And a single crystal growing step of growing the single crystal while controlling the rotational speed of the single crystal such that the bottom surface of the single crystal protrudes downward while maintaining a predetermined protruding height.
In the single crystal growing step, the relationship characteristic indicating the relationship between the rotational speed and the protrusion height is different before and after the solidification ratio indicating the weight ratio of the raw material melt solidified to the single crystal becomes a predetermined value. A single crystal manufacturing method comprising first and second single crystal growing steps of controlling the rotation speed of the single crystal based on two characteristics.
H=aω+b (1)
但し、a、bは実験により定まる定数であり、0<aを満たす。 The characteristic according to the proportional relationship is expressed by the following equation (1), wherein H is the height of the protrusion of the bottom of the single crystal and ω is the rotational speed of the single crystal. Crystal manufacturing method.
H = aω + b (1)
However, a and b are constants determined by experiment and satisfy 0 <a.
H=c/ω+d (2)
但し、c、dは実験により定まる定数であり、0<cを満たす。 The characteristic according to the inverse relationship is expressed by the following equation (2), wherein H is the height of the protrusion of the bottom of the single crystal and ω is the rotational speed of the single crystal. Crystal manufacturing method.
H = c / ω + d (2)
However, c and d are constants determined by experiment and satisfy 0 <c.
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JP2021031341A (en) * | 2019-08-27 | 2021-03-01 | 住友金属鉱山株式会社 | Production method of lithium tantalate single crystal |
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