JPH01188490A - 単結晶の育成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は高品質ＹＡＧ（ＹａＡＡ！５Ｏｔｚ）単結晶あ
るいはＮｄ：ＹＡＧ（ＹＡＧＩＣＮｄｚＯａｔ−ドープ
）単結晶の育成における直胴部の直径制御に関する。

（従来の技術） Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶の育成は通常引き上げ法（チョクラ
ルスキー法〕によって行なわれている。引き上げ法で単
結晶含育成する場合の技術課題は第１に目的に背紋する
良質な結晶を育成すること、第２に所鴛の直径金有する
長い結晶を育成することである。第１ｏ課題に関しては
高純度原料の使用、育成時の雰囲気や温度の安定化、圧
力制御などがある。第２の課題に関しては重量法あるい
は光学法による自動育成方法がいくつか提案されている
。それはメニスカスライン上レーザ光線で照射しつつ引
き上げを行う方法（％開昭５９−５４９４）。

重量減少量の微分値に対応した基準電圧発生機構ｔもつ
方法（特公昭５４−４３４５）、！蛍信号の精度管上げ
るためにロードセルの温に’に一定に保つ方法（特公昭
５４−４７７１）である。これらはいずれも自動育成シ
ステムの構成を示すものであって、直径制御に対する具
体的制御方法は伺ら示されていない、更に高品質Ｎｄ：
ＹＡＧ単結晶の育成の自動直径制御の実施例はなくもち
ろん発表され九個もない。即ち、Ｎｄ　；　ＹＡＧ単結
晶は非常に高い温度でしかも引上げ速度が遅い（０，５
〜１　ｍｍ／ｈ　ｒ　）ことや、結晶の長さ方向に使用
するため、長期安定の高信頼性システムの開発が必要な
ため自動育成は困難とされているのが実情である。従っ
て、Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶の育成は熟練された経験者によ
って行なわれでいる。

（発明が解決しようとする問題点） Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶は育成温度が高（（１９７０℃）し
かも、育成時間が非常に長い（３ｏｏａ洸めに、保温耐
火物の材質や構成の少しの変化でも温度の履歴に関与し
てくる。しかもＮｄ：ＹＡＧ単結晶は熱的変化に非常に
敏感である。このためより安定を保つために耐化物の構
成はより複雑化すると共に結晶の監視窓が非常に小さく
なり育成状態を見るのが困難となっている。この様な状
況下に於いての結晶育成は、作業者が長年の経験を基に
Ｘ量変化等を参考に直径の制御を行なっていた。このた
め熟練者であっても常時監視する。ことはむずかしく、
直径制御に失敗し、結晶品質の低下や、デコボコの激し
い結晶が育成される場合も多々見られ几。当然ながら未
経験者ではＮｄ：ＹＡＧ＄結晶の育成は困難で高品質は
単結晶の育成は不可能に近かった。

本発明の目的はこの問題を解決し、誰れでも再現性よく
直径制御が出来、しかも高品質な単結晶を育成出来る方
法を提供することである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、高周波コイルに真空熱電対２有１．ｍＶ設足
ｆｉ（Ｍｔ）に真空熱電対の起電力を近ずけるよりに高
周波発振器の供給電力を制御するアナログコントローラ
が付属する高周波加熱炉を用いて単結晶育成中の重量変
化および高周波電力の検出を可能にし直胴部の直径制御
ができるチョクラルスキー法による単結晶育成方法にお
いて、育成中の結晶重量（Ｗｉ）が目標重量（Ｗｘ）に
対してＷｘ＋（０，００１〜０．０２）ＸＷｘ＜Ｗｉの
ときＶｏ＝ＶｏｓｘＷｉｘｋ／Ｗｘ　（但ＬＡＶｏ　１
　＃′ｉ［１’ｔｌＪ　ＯＡｌ　１　）Ｋ　４ＦＡｌ　
”？”　’）　９、ｋはＯ〜３である）を算出すると共
にＶｏがＶｏ＞αのときのみＶｏ＝αに設定する。この
ａは引上げ長さ（ｌによって決定される。ｌがＯ＜ｌ≦
ｉｌのときＶｏ＝＝３　ｏ〜ｓ　Ｏμｙ　／ｈ　ｒ　、
　ｌ　ｔ　＜ｌ≦１２のときＶｏ＝２０〜３０μｖ／ｈ
　ｒ　、　ｌ　２＜Ａ！≦／３（ＤときＶｏ＝１５〜２
５ｐｖ／ｈｒ、ｌ　３＜ｌのと＠　Ｖｏ＝５〜２０μｖ
／ｈｒ（但−１１、Ｉ２．Ｉｓはそれぞれ育成中の結晶
の長さであってｅ１＝０〜４５ｍｍ、１２−４５〜７５
ｍｍ、　１３＝７５〜〜１１　Ｑｍｍである。）に設定
することを特徴とする。

（作　用） 本発明者等は理想的な直径制御を行なう念めに、育成さ
れた単結晶の直径の変化と高周波コイルに結晶品質の関
係について詳細に分析しかつ、塊々の研究を行なった。

この結果これまでの結晶の変化と高周波電力の変化から
、直径制御２行なうには目標貞爺（Ｗｘ　）と結晶！ｔ
　（Ｗｉ　）との差に応じた高周波電力を制御すること
によって可能となることが明らかとなった。目標の１債
果ｌ量（Ｗｘ）に対する高周波電力の関係は、育成結晶
の重ｆ（Ｗｉ）がＷｘより小さい場合には高周波電力を
一定あるいは減少させ、逆にＷｉがＷｘより大きい場合
は高周波電力を大きくしなければならない、この高周波
電力の大きさはＷｘとＷｉとの差によって決定されるが
、高周波電力の変化量が大きすぎると、Ｎｄ：ＹＡＧ単
結晶の凹凸が撒くなシ同時に品質が著るしく劣化するこ
とがｆｌＪ　り、更にｆｆ１ｍな場合には気泡あるいは
クラックが発生することも明らかと成った。従って、高
品質を床もなから結晶直径を制御するためには、高周波
電力の変化量を極力小さくすると共に増加、減少等の振
巾が連続して起らないようにする必要が生じた。そこで
上述粂注で直径制御できる方法を得るために、’ｖＶｘ
とＷｉとの差が何によって生ずるか検討した。この結果
、引上げ装置の熱的環境の変化によって、Ｗｉが変化す
ることが明らかとなった。この熱的環境には、■耐火物
の長時間使用に伴う劣化、■結晶成長に伴う結晶からの
放熱、溶液の減少、■育成雰囲気の変化、■育成システ
ムの環境変化等が考えられ友。これらの変化は急激に起
らないが育成時間即ち、結晶の引上げ長さに依存するこ
とが多くの実験から得られた。これは引上げ初期の熱的
変化は非常に大きいが結晶が長くなるに従いその変化は
少なくなってくる。又結晶品質は、高周波電力の変化量
と引上げ長さ１時間にも関係しており、引上げ長さが長
くなるほど電力変化の影響を受は易い、このｔめ高品質
を保つために引上げ長さによって高周波電力の制御方法
を変える必要があることが明らかとなった。

一万結晶直径を一定に保つための高周波電力の制御電圧
の変化ｆｉ　（Ｖｏ　）の設定はＷＸとＷｉの比によっ
て決定される。このＶｏで育成が行なわれこれによ５Ｗ
ｉが修正される。しかし以後補正を必要としない状況が
継続すれば良いが前楓の様な熱的環境の変化等によって
Ｗｉが変化するのが実状である。コツタめＷｉがＷｘに
対しＷｘ＋（０，００１〜０．０２）ｘＷｘ＜Ｗｉなる
条件が連続して起きると、Ｖ。

は加速的に大きくなってしまう。この結果、Ｗｉが急激
に減少してしまい結晶直径の変動は非常に大きくなると
同時に、結晶品質が悪くなる。この友めＶｏの大きさを
限定する必要が生じた。又、上述■、■の経時変化から
結晶の引上げ長さによってもｖＯを限定する必要がある
ことを見い出した。Ｖ。

の上限の設定は、育成時の高周波電力（制御電圧）を調
べその電圧変化から求めることが出来る。電圧変化曲線
ｔ−直線近似すると第２図の■〜■の曲線が得られその
直線の勾配とそれぞれの直線の交差する点即ち結晶の長
さ！１〜１３ｔ−求める。この勾配の０〜１０％の範囲
でＶｏ　ｆそれぞれ設定すると良いことが多くの実験で
求められた。その結果。

第１１スに示すように０くｌ≦１１のとき　α＝３０〜
５０ｐｖ／ｈｒ、１１＜ｌ≦１２のときα＝２０〜３０
μｖ／ｈｒｌｚ＜ｌ≦１３のときＣＩ　〜１５〜２５ａ
ｖ　／ｈ　ｒ　、　ｌ　３＜ｌ　ｔＤときα＝５〜２０
μｖ／ｈｒ（但し、αは高周波電力の制＃電圧の変化量
、ｌｘ、ｌｚ、Ｉ３はそれぞれ引上げ結晶の長さであっ
てｌ　１　：Ｏ〜４５ｍｍ　、　ｌ　２＝４５ｍｍ〜７
５ｍｍ、　ｅ３＝７５〜ｌＩＱｍｍである。〕このａ、
１１〜１３は、耐火物の材質変化あるいはルツボ等の変
形等によって変化することも明らかとなった。又、前述
の■、■は昼夜間の温度変動やｇａｓ圧力変動等によっ
て容易にＷｉが変わることが明確となった。

このＷｉの変化ｆを調べると＋０．１〜２％であること
が判明した。この結果ＷｉがＷｘｌＣ対し＋０．１〜２
チ以内にあるときはその！ま放置することが得策である
。したがってＶＯの変更はＷｉがＷｘに対し＋０．１〜
２％以上（７）時テ６ル。Ｖ　ｏ　＝　Ｖ　ｏ　ｉ　ｘ
Ｗ　ｉ　ｘ　ｋ　７’ＷｘのｋはＷｉとＷｘの差に等し
いＶｏｉ決定するための定数であるがｋが３より大きい
場合ｖＯが大きくなり、この結果凹凸が急激となり結晶
品質が著るしく低下した。このためｋの設定はＷｉ＋Ｖ
、の過去の経歴によって行なわれる。

（実施例） 次に実施例により本発明全説明する。

第３図の単結晶育成装置の８５φＸ１００ｈＸ１．７ｔ
のＩｒルツボＩＫＮｄ：ＹＡＧ率結晶ｆｌ科（高純度Ａ
ｌ　２０３　、Ｙ２Ｏ３に０．８ａｔ％Ｎｄｅドープし
それぞれ適当量秤量し混合した）’１２１００ｇ加え保
温耐火物を設置し、高周波コイル３の中心に設けた。パ
ーソナルコンピュータ５０指令によって、Ｄ／Ａｉ換器
７を介しアナログコントローラ８、高周波発振器９によ
って高周波コイル３に電力が加わりＩｒルツボ１内の原
料を熔解した０次にＹＡＧ単結晶（Ｎｄドープしていな
い）を種結晶く１１１〉とし、前記溶液に浸し、最適な
温度条件であることを確認し、引上げを開始した。引上
げ速度１ｍｍ／ｈｒで回転速度は２０　ｒ　ｐｍとした
。引上げ開始してから育成結晶の太り方が約３０′″に
なるように目標とする径（Ｄｘ）のプログラムを設定し
ロードセルからの信号４、あるいは真空熱電対１０から
の信号を用いパーソナルコンピュータで高周波電力の出
力を制御している。引上げ開始してから２９時間後にＤ
ｘは３０φに達したため肩出しを行った後直胴部の直径
制御が開始された。この時０ＩＦＪｏＪｃ量（Ｗｘ）は
３５ｇであり結晶Ｊｉ［ｆｉ　（Ｗｉ　）も３５ｇで高
周波電力の制御電圧の変化１ｔ（ＶＯ）は、１８μｖ　
／ｈ　ｒであった。引上げ開始してから４１時間後にＷ
ｘは６０ｇであったが、Ｗｉは６１２ｇになった。この
ときｖＯは５３μｖ／ｈｒになったが、ＶＯｌ−３５μ
ｖ／ｈｒとし、育成を続行した。

又、引上げ後１０５時間後Ｗｘは３８０ｇであり友がＷ
ｉは３７７ｇとなった。このときＶｏは２６μＶ／ｈｒ
だった。このためＶ（１２０μｖ／ｈｒに設定し育成を
続行した。同様にパーソナルコンピュータ５で径の制御
を行いながら約１６０時間抜結晶を切り離し育成を終了
した。育成された結晶は角のない非常に滑らかな直胴部
であ）、更に、結晶から切〕出したロッド（４φＸ６３
．５ｍｍ）’ｔ−位相差により複屈折測定するとΔｒｌ
＝ＩＸ１０−’以下が得られ、光学歪の非常に少ない高
品質なＮｄ　：　ＹＡＧ単結晶が得られた。

（発明の効果） 不発明によれば誰でも理想的な肩作りが可能であり、か
つ自動育成に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明である直胴部の直径制御全説明
する図、＠３図は単結晶育成装置の例を示す図である。 １はＩｒルツボ、２はＮｄ：ＹＡＧ単結晶、３は高周波
コイル、４はロードセル、５はパーソナルコンピュータ
、６はＡ／Ｄ変換器、７はＤ／Ａ変洟器、８はアナログ
コントローラ、９は高周波発振器、１０は真空熱電対。 代理人　弁理士　　内　原　　　晋 第１図 う１上１ア紹晶の長ｍ（ｍが） 引上１ア琵品沓長、工（ｈ− 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高周波コイルに真空熱電対を有しｍＶ設定値（Ｍ
   ＿１）に真空熱電対の起電力を近ずけるように高周波発
   振器の供給電力を制御するアナログコントローラが付属
   する高周波加熱炉を用いて単結晶の育成中の重量を検出
   しその増加速度をあらかじめ決定したプログラムにそっ
   て変化するようにＭ＿１を変化させ結晶直径制御を行う
   チョクラルスキー法による単結晶育成方法において、Ｍ
   ＿１の変化量（Ｖ＿０）の上限の値を単結晶の引上げ長
   さ（ｌ）によって０＜ｌ≦ｌ＿１のときＶ＿０＝３０〜
   ５０μＶ／ｈｒ、ｌ＿１＜ｌ≦ｌ＿２のときＶ＿０＝２
   ０〜３０μＶ／ｈｒ、ｌ＿２＜ｌ≦ｌ＿３のときＶ＿０
   ＝１５〜２５μＶ／ｈｒ、ｌ＿３＜ｌのときＶ＿０＝５
   〜２０μＶ／ｈｒ（但し、ｌ＿１、ｌ＿２、ｌ＿３はそ
   れぞれ育成中の結晶の長さであってｌ＿１＝０〜４５ｍ
   ｍ、ｌ＿２＝４５〜７５ｍｍ、ｌ＿３＝７５〜１１０ｍ
   ｍである。）に設定することを特徴とする単結晶の育成
   方法。
2. （２）前記Ｖ＿０は結晶重量（Ｗ＿ｉ）が目標重量（Ｗ
   ＿ｘ）に対しＷ＿ｉ＞Ｗ＿ｘ＋（０．００１〜０．０２
   ）×Ｗ＿ｘのときＶ＿０＝Ｖ＿０＿１×Ｗ＿ｉ×ｋ／Ｗ
   ＿ｘ（但し、Ｖ＿０＿１は直前のＭ＿１の変化量であり
   、ｋは０〜３である。）である特許請求の範囲第（１）
   項記載の単結晶の育成方法。