特許 6362916 単結晶育成方法及び単結晶育成装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6362916

(24)【登録日】2018年7月6日

(45)【発行日】2018年7月25日

(54)【発明の名称】単結晶育成方法及び単結晶育成装置

(51)【国際特許分類】

   C30B 15/34 20060101AFI20180712BHJP

   C30B 15/06 20060101ALI20180712BHJP

   C30B 29/16 20060101ALI20180712BHJP

【ＦＩ】

   C30B15/34

   C30B15/06

   C30B29/16

【請求項の数】12

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-95424(P2014-95424)

(22)【出願日】2014年5月2日

(65)【公開番号】特開2015-212212(P2015-212212A)

(43)【公開日】2015年11月26日

【審査請求日】2017年4月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】390005223

【氏名又は名称】株式会社タムラ製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100071526

【弁理士】

【氏名又は名称】平田 忠雄

(74)【代理人】

【識別番号】100124246

【弁理士】

【氏名又は名称】遠藤 和光

(74)【代理人】

【識別番号】100145171

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 浩行

(73)【特許権者】

【識別番号】000153236

【氏名又は名称】株式会社光波

(72)【発明者】

【氏名】輿 公祥

【審査官】 安齋 美佐子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１５３０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−９６６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−２１１５９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１４４１０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ３０Ｂ １／００−３５／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

貫通孔を有し、前記貫通孔の第１の開口部及び第２の開口部がそれぞれ第１の面と第２の面に設けられたダイを加熱する工程と、
焼結体原料と前記ダイを第１の方向に沿って相対的に近づけて、加熱された前記ダイの前記第１の面に接触させて溶融させ、生成された融液を前記貫通孔の前記第１の開口部から前記第２の開口部まで毛細管現象により移動させる工程と、
前記第２の開口部に達した前記融液に種結晶を接触させ、前記種結晶と前記ダイを第２の方向に沿って相対的に離すことにより単結晶を育成する工程と、
を含む、単結晶育成方法。

【請求項2】

前記第１の面側の部分の温度が前記第２の面側の部分の温度よりも高くなるように前記ダイを加熱する、
請求項１に記載の単結晶育成方法。

【請求項3】

前記第１の面は、前記第１の開口部を底部に含む凹型形状を有する、
請求項１又は２に記載の単結晶育成方法。

【請求項4】

前記貫通孔はスリットである、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の単結晶育成方法。

【請求項5】

前記第２の方向は、鉛直方向よりも水平方向に近い、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の単結晶育成方法。

【請求項6】

前記第１の方向と第２の方向が異なる、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の単結晶育成方法。

【請求項7】

貫通孔を有し、前記貫通孔の第１の開口部及び第２の開口部がそれぞれ第１の面と第２の面に設けられたダイと、
前記ダイを加熱する加熱部と、
単結晶の原料である焼結体原料を保持した状態で、前記焼結体原料を前記第１の面に近づける方向と離す方向に移動することができる原料保持部と、
前記単結晶の種結晶を保持した状態で、前記種結晶を前記第２の面に近づける方向と離す方向に移動することができる種結晶保持部と、
を有する単結晶育成装置。

【請求項8】

前記加熱部は、前記第１の面側の部分の温度が前記第２の面側の部分の温度よりも高くなるように前記ダイを加熱することができる、
請求項７に記載の単結晶育成装置。

【請求項9】

前記第１の面は、前記第１の開口部を底部に含む凹型形状を有する、
請求項７又は８に記載の単結晶育成装置。

【請求項10】

前記貫通孔はスリットである、
請求項７〜９のいずれか１項に記載の単結晶育成装置。

【請求項11】

前記種結晶保持部の移動できる方向は、鉛直方向よりも水平方向に近い、
請求項７〜１０のいずれか１項に記載の単結晶育成装置。

【請求項12】

前記第１の開口部の開口面に垂直な方向と前記第２の開口部の開口面に垂直な方向が異なる、
請求項７〜１１のいずれか１項に記載の単結晶育成装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、単結晶育成方法及び単結晶育成装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ＥＦＧ（Edge-defined film-fed growth）法により、ルツボ内で原料を溶融して得られる融液から単結晶を成長させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１によれば、ダイのスリットを通して毛細管現象により融液をダイの上面に供給し、種結晶と接触させ、その後、種結晶を引き上げて単結晶を育成する。

【0003】

また、ＦＺ（Floating Zone）法により原料棒を加熱することにより得られる溶融帯から単結晶を成長させる技術が知られている。さらに、特殊な例として、１個以上の穴の開いた薄い金属板又は金属網であるメルト支持板を用いたＦＺ法も知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２によれば、メルト支持板を介して溶融帯を原料棒側から種結晶側に供給し、種結晶を回転させながら引き下げることにより単結晶を育成する。メルト支持板を用いることにより、融液帯を安定に保持すると同時に、メルト量を安定に制御することが可能になり、ＦＺ法へネッキング工程を導入することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６−３１２５７１号公報

【特許文献2】特開平６−２１１５９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、特許文献１に記載されるようなＥＦＧ法によれば、毛細管現象を利用して融液をダイのスリット内を上昇させているため、ダイの高さが融液の上昇可能な高さに制限され、それに伴ってルツボの深さも制限される。このため、大型の単結晶を育成する場合には、大量の融液を収容するためにルツボの面積を広げざるを得ず、単結晶育成装置が大型化してしまう。

【0006】

また、育成する単結晶の種類によっては、融液とルツボの反応を抑えるために、イリジウムや白金等の原価及び加工費の高い材料がルツボの材料として求められるため、ルツボの大型化による費用の増加が大きい。

【0007】

また、特許文献２に記載されるようなメルト支持板を用いるＦＺ法によれば、ルツボが用いられないため、ルツボのサイズやコストに起因する問題は生じないものの、ＦＺ法の性質やメルト支持板の構造から、大型の結晶の育成は困難である。特許文献２によれば、メルト支持板を加熱することにより融液を広げ、単結晶の口径を大きくしているが、メルト支持板の厚さは最大でも０．３ｍｍと薄い。このため、育成中にメルト支持板が変形するような大型の結晶（例えば口径が２インチ以上）を育成することはできない。特許文献２に開示された単結晶のうちの最大の単結晶の径は１２．５ｍｍである。

【0008】

また、特許文献２には、融液の温度が高くなると融液の表面張力が下がり、メルト支持板には融液を広げる働きがあるので、メルト支持板に相当する結晶が得られるようになることが記載されているが、融液が広がると高さ方向の中間部がくびれるため、結晶径の増加には限界があり、大型の結晶を育成することはできない。

【0009】

また、特許文献２に記載された方法によれば、種結晶と焼結体原料の距離が小さいため、融液の原料側の領域の温度と種結晶側の領域の温度に差を設けることができない。このため、単結晶の育成速度に対する融液の生成速度を上げることができず、融液の供給を途切れさせないためには、低速で単結晶を育成しなければならない。

【0010】

したがって、本発明の目的は、大型の単結晶を安価に育成することのできる単結晶育成方法及び単結晶育成装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［６］の単結晶育成方法を提供する。

【0012】

［１］貫通孔を有し、前記貫通孔の第１の開口部及び第２の開口部がそれぞれ第１の面と第２の面に設けられたダイを加熱する工程と、焼結体原料と前記ダイを第１の方向に沿って相対的に近づけて、加熱された前記ダイの前記第１の面に接触させて溶融させ、生成された融液を前記貫通孔の前記第１の開口部から前記第２の開口部まで毛細管現象により移動させる工程と、前記第２の開口部に達した前記融液に種結晶を接触させ、前記種結晶と前記ダイを第２の方向に沿って相対的に離すことにより単結晶を育成する工程と、を含む、単結晶育成方法。

【0013】

［２］前記第１の面側の部分の温度が前記第２の面側の部分の温度よりも高くなるように前記ダイを加熱する、前記［１］に記載の単結晶育成方法。

【0014】

［３］前記第１の面は、前記第１の開口部を底部に含む凹型形状を有する、前記［１］又は［２］に記載の単結晶育成方法。

【0015】

［４］前記貫通孔はスリットである、前記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の単結晶育成方法。

【0016】

［５］前記第２の方向は、鉛直方向よりも水平方向に近い、前記［１］〜［４］のいずれか１項に記載の単結晶育成方法。

【0017】

［６］前記第１の方向と第２の方向が異なる、前記［１］〜［５］のいずれか１項に記載の単結晶育成方法。

【0018】

また、本発明の他の態様は、上記目的を達成するために、下記［７］〜［１２］の単結晶育成装置を提供する。

【0019】

［７］貫通孔を有し、前記貫通孔の第１の開口部及び第２の開口部がそれぞれ第１の面と第２の面に設けられたダイと、前記ダイを加熱する加熱部と、単結晶の原料である焼結体原料を保持した状態で、前記焼結体原料を前記第１の面に近づける方向と離す方向に移動することができる原料保持部と、前記単結晶の種結晶を保持した状態で、前記種結晶を前記第２の面に近づける方向と離す方向に移動することができる種結晶保持部と、を有する単結晶育成装置。

【0020】

［８］前記加熱部は、前記第１の面側の部分の温度が前記第２の面側の部分の温度よりも高くなるように前記ダイを加熱することができる、前記［７］に記載の単結晶育成装置。

【0021】

［９］前記第１の面は、前記第１の開口部を底部に含む凹型形状を有する、前記［７］又は［８］に記載の単結晶育成装置。

【0022】

［１０］前記貫通孔はスリットである、前記［７］〜［９］のいずれか１項に記載の単結晶育成装置。

【0023】

［１１］前記種結晶保持部の移動できる方向は、鉛直方向よりも水平方向に近い、前記［７］〜［１０］のいずれか１項に記載の単結晶育成装置。

【0024】

［１２］前記第１の開口部の開口面に垂直な方向と前記第２の開口部の開口面に垂直な方向が異なる、前記［７］〜［１１］のいずれか１項に記載の単結晶育成装置。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、大型の単結晶を安価に育成することのできる単結晶育成方法及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】

【0026】

【図1】図１は、第１の実施の形態に係る単結晶育成装置の垂直断面図である。

【図2】図２は、第１の実施の形態に係る単結晶の育成工程を表す概念図である。

【図3】図３は、第１の実施の形態に係る第１の面の面積が第２の面の面積より大きいダイの形状の一例を表す垂直断面図である。

【図4】図４は、第１の実施の形態に係る第１の面が凹型形状を有するダイの形状の一例を表す垂直断面図である。

【図5】図５（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係る単結晶を水平方向に育成する様子を表す概念図である。

【図6】図６（ａ）は、焼結体原料が移動する方向と単結晶の育成時に種結晶が移動する方向とが直交する場合の、単結晶を育成する様子を表す概念図である。図６（ｂ）は、２つの第１の開口部が対向して設けられている場合の、単結晶を育成する様子を表す概念図である。

【図7】図７は、第３の実施の形態に係る単結晶の育成工程を表す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

〔第１の実施の形態〕
（単結晶育成装置の構成）
図１は、第１の実施の形態に係る単結晶育成装置１の垂直断面図である。この単結晶育成装置１は、貫通孔１１を有するダイ１０と、ダイ１０を加熱する加熱部１２と、育成する単結晶２０の原料である焼結体原料２１を保持する原料保持部１３と、単結晶２０の種結晶２２を保持する種結晶保持部１４と、これらの周囲に設置された断熱材１５とを有する。

【0028】

ダイ１０において、貫通孔１１の第１の開口部１１ａ及び第２の開口部１１ｂが設けられる面をそれぞれ第１の面１０ａ及び第２の面１０ｂとする。図１に示される例においては、第１の面１０ａ及び第２の面１０ｂは、それぞれダイ１０の下面及び上面である。

【0029】

貫通孔１１は、例えば、スリットや、単数又は複数の小径の穴である。貫通孔１１がいずれの形状をとる場合であっても、融液２３を毛細管現象により内部を移動させることのできるような幅や径を有する。図１に示される例においては、貫通孔１１はスリットである。

【0030】

ダイ１０の材料には、耐熱性に優れ、融液２３と反応しにくい材料が用いられる。例えば、Ｇａ_２Ｏ_３の単結晶を単結晶２０として育成する場合は、ダイ１０の材料として、Ｉｒやサファイアが用いられる。また、ＬｉＮｂＯ_３の単結晶を単結晶２０として育成する場合は、ダイ１０の材料として、Ｐｔが用いられる。また、サファイアの単結晶を単結晶２０として育成する場合は、ダイ１０の材料として、Ｉｒ、Ｗ、又はＭｏが用いられる。また、ルチル型のＴｉＯ_２の単結晶を単結晶２０として育成する場合は、ダイ１０の材料として、Ｉｒが用いられる。また、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７又はＢａＢ_２Ｏ_４の単結晶を単結晶２０として育成する場合は、ダイ１０の材料として、グラファイトが用いられる。

【0031】

加熱部１２は、例えば、抵抗加熱式のヒーター、誘導加熱式のコイル、レーザー加熱式のレーザー発信器、又はランプ加熱式のランプである。加熱部１２は、第１の面１０ａ側の部分の温度が第２の面１０ｂ側の部分の温度よりも高くなるようにダイ１０を加熱することができるものであることが好ましい。

【0032】

原料保持部１３は、焼結体原料２１を保持した状態で、焼結体原料２１をダイ１０の第１の面１０ａに近づける方向と離す方向に移動することができる。図１に示される例においては、原料保持部１３は鉛直上下方向に移動することができる。

【0033】

焼結体原料２１は、例えば、前駆体粉末を圧縮成形したものを焼結させることにより得られる。以下に、一例として、酸化ガリウムからなる焼結体原料２１を作製する場合の具体例を示す。

【0034】

まず、粉末の酸化ガリウムを金型内に充填し、プレス機を用いて１０ｋｇｆ／ｍｍ^２程度の圧力を掛けて圧縮成形する。金型は、例えば、６インチ×３１０ｍｍ×１８ｍｍの焼結体原料２１が得られるような寸法を有する。次に、圧縮成形した酸化ガリウム粉末を１４５０℃、６時間の条件で焼成する。その後、得られた焼結体原料２１の体積と質量から、比重を計算する。焼結体原料２１の比重は、例えば、４．２４である。

【0035】

なお、複数の小型の焼結体原料を並べて焼結体原料２１として用いてもよい。このため、例えば、大型の前駆体を圧縮成形することが困難な場合であっても、焼結体原料２１を得ることができる。

【0036】

また、焼結体原料２１に導電型不純物等の不純物を添加する場合、焼結体原料２１の長さ方向に不純物濃度の勾配を設けてもよい。これにより、不純物の種類により、不純物濃度が均一な焼結体原料２１を用いると単結晶２０中の不純物濃度に育成方向の勾配が生じる場合に、単結晶２０中の不純物濃度を均一化することができる。例えば、単結晶２０中の不純物濃度が種結晶から離れるほど高くなる場合、焼結体原料２１の不純物濃度の高い方の端部からダイ１０の第１の面１０ａに接触させて溶融させることにより、単結晶２０中の不純物濃度を均一化することができる。

【0037】

なお、不純物濃度の異なる複数の焼結体原料を並べて、長さ方向に不純物濃度の勾配を有する焼結体原料２１として用いてもよい。

【0038】

種結晶保持部１４は、種結晶２２を保持した状態で、種結晶２２をダイ１０の第２の面１０ｂに近づける方向と離す方向に移動することができる。図１に示される例においては、種結晶保持部１４は鉛直上下方向に移動することができる。

【0039】

（単結晶の育成工程）
図２は、第１の実施の形態に係る単結晶２０の育成工程を表す概念図である。なお、図２においては、単結晶育成装置１の加熱部１２、原料保持部１３、種結晶保持部１４、及び断熱材１５の図示を省略する。

【0040】

まず、図２（ａ）に示されるように、加熱部１２を用いてダイ１０を加熱し、ダイ１０の温度を、焼結体原料２１が溶融する温度まで２ｄｅｇ／ｍｉｎで上昇させる。

【0041】

ここで、結晶の育成雰囲気は、ダイ１０の材質や、加熱部１２による加熱方式等により適宜選択される。例えば、ダイ１０がイリジウム又はサファイアからなり、加熱方式がカーボンを発熱体とする抵抗加熱方式である場合は、Ａｒ等の不活性ガス雰囲気、又は微量のＣＯ_２を含む不活性ガスの雰囲気が用いられる。

【0042】

また、例えば、ダイ１０がイリジウムからなり、加熱方式が二ケイ化モリブデン若しくはランタンクロマイトを発熱体とする抵抗加熱方式、ランプ加熱方式、又はレーザー加熱方式である場合は、Ａｒ、Ｎ_２等の不活性ガス雰囲気、又は微量のＣＯ_２を含む不活性ガスの雰囲気が用いられる。

【0043】

また、例えば、ダイ１０がサファイアからなり、加熱方式が二ケイ化モリブデン若しくはランタンクロマイトを発熱体とする抵抗加熱方式、ランプ加熱方式、又はレーザー加熱方式である場合は、大気、酸素雰囲気、Ａｒ、Ｎ_２等の不活性ガス雰囲気、又は微量のＯ_２若しくはＣＯ_２を含む不活性ガスの雰囲気が用いられる。

【0044】

次に、図２（ｂ）に示されるように、焼結体原料２１をダイ１０に向かう方向Ｄ１に移動させて、加熱されたダイ１０の第１の面１０ａに接触させて溶融させ、生成された融液２３を貫通孔１１の第１の開口部１１ａから第２の開口部１１ｂまで毛細管現象により移動させる。図２（ｂ）に示される例では、焼結体原料２１の移動する方向Ｄ１は鉛直上方向である。なお、焼結体原料２１をダイ１０に接触させた後にダイ１０を加熱してもよい。また、ダイ１０を焼結体原料２１に近づけてもよい。すなわち、焼結体原料２１とダイ１０を方向Ｄ１に平行な方向に沿って相対的に近づければよい。

【0045】

次に、図２（ｃ）に示されるように、第２の開口部１１ｂに達した融液２３に種結晶２２を接触させ、種結晶２２をダイ１０から離れる方向Ｄ２に移動させることにより単結晶２０を育成する。図２（ｃ）に示される例では、種結晶２２の育成時の種結晶２２の移動する方向Ｄ２は、鉛直上方向である。なお、ダイ１０を種結晶２２から離してもよい。すなわち、種結晶２２とダイ１０を方向Ｄ２に平行な方向に沿って相対的に離せばよい。

【0046】

具体的には、例えば、種結晶２２を速度１０ｍｍ／ｍｉｎで下降させて融液２３に接触させ、速度２０ｍｍ／ｈで種結晶２２を引き上げて、単結晶２０の育成を開始する。育成開始後、単結晶２０中の転位の発生を防ぐために、ネッキングを行ってもよい。融液２３の供給速度は、単結晶２０の育成開始直後は１ｍｍ／ｈとして、その後、単結晶２０のネッキングの状況に合わせて調整する。ただし、ネッキングを行う場合、その後の肩広げ工程において単結晶２０が双晶化するおそれがある。

【0047】

ネッキングが終了した後、０．５ｄｅｇ／ｍｉｎでダイ１０の温度を下げ、単結晶２０の肩広げを行う。この時、ダイ１０側の融液２３の厚さが０．５ｍｍになるように種結晶２２の引き上げ速度を調整する。肩広げが終了した後、融液２３の供給速度を２７．８ｍｍ／ｈにする。このとき、ダイ１０側の融液２３の厚さが増加する場合は、供給速度を調整して増加を抑える。なお、例えば、焼結体原料２１の比重が４．２４である場合、酸化ガリウムの固体の比重が５．９であるため、融液２３の供給速度を“育成速度×５．９／４．２４”以上にしなければ、供給が間に合わなくなる。

【0048】

定型部（肩広げ部の下の幅が一定の部分）の長さが１５０ｍｍになるまで単結晶２０を育成した後、融液２３から切り離す（テールカットする）。その後、２ｄｅｇ／ｍｉｎでダイ１０を冷却する。

【0049】

上記の単結晶２０を育成する工程においては、焼結体原料２１が融解して融液２３が生成される（固体から液体への相転移が生じる）際に吸熱が起こるために、ダイ１０の第１の面１０ａ側の部分の温度が低下し、反対に、融液２３が結晶化して単結晶２０が育成される（液体から固体への相転移が生じる）際に発熱が起きるために、ダイ１０の第２の面１０ｂ側の部分の温度が増加する。

【0050】

ダイ１０の第２の面１０ｂ側の部分の温度に対する第１の面１０ａ側の部分の温度が小さすぎると、単結晶２０の育成速度に対する焼結体原料２１からの融液２３の生成速度が小さくなり、第２の開口部１１ｂへの融液２３の供給が途切れるおそれがある。

【0051】

このため、本実施の形態において、融液２３を第２の開口部１１ｂへ安定して供給するため、単結晶２０の育成速度に対する焼結体原料２１からの融液２３の生成速度を適正な大きさに設定するための手段を用いることが好ましい。

【0052】

このような手段の１つとして、第１の面１０ａ側の部分の温度が第２の面１０ｂ側の部分の温度よりも高くなるようにダイ１０を加熱する手段を用いることができる。

【0053】

第１の面１０ａ側の部分の温度が第２の面１０ｂ側の部分の温度よりも高くなるようにダイ１０を加熱することにより、上述のような吸熱反応と発熱反応によるダイ１０の温度の変化を相殺し、単結晶２０の育成速度に対する焼結体原料２１からの融液２３の生成速度を適正な大きさに設定することができる。これにより、融液２３の供給を途切れさせることなく単結晶２０を高速成長させることもできる。

【0054】

また、焼結体原料２１の密度（単位体積あたりの質量）を大きくする手段を用いてもよい。焼結体原料２１の密度を大きくすることにより、融液２３の生成速度を大きくし、単結晶２０の育成速度に対する焼結体原料２１からの融液２３の生成速度を適正な大きさに設定することができる。例えば、焼結体原料２１の前駆体粉末を圧縮成形する際の圧縮率を大きくすることにより、焼結体原料２１の密度を大きくすることができる。

【0055】

さらに、ダイ１０の第１の面１０ａの面積を第２の面１０ｂの面積より大きくする手段を用いてもよい。ダイ１０の第１の面１０ａの面積を第２の面１０ｂの面積より大きくすることにより、単結晶２０の育成速度に対する焼結体原料２１からの融液２３の生成速度を大きくし、単結晶２０の育成速度に対する焼結体原料２１からの融液２３の生成速度を適正な大きさに設定することができる。また、第１の面１０ａの面積を大きくすることにより、焼結体原料２１の面積も大きくすることができるため、焼結体原料２１の長さを短くすることができる。このため、単結晶育成装置１の焼結体原料２１の長さ方向の大きさを小さくすることができる。

【0056】

図３は、第１の面１０ａの面積が第２の面１０ｂの面積より大きいダイ１０の形状の一例を表す垂直断面図である。図３に示される例では、貫通孔１１はスリットであり、第１の開口部１１ａの長手方向に直交するダイ１０の断面が、凸形状を有する。

【0057】

上述の単結晶２０の育成速度に対する焼結体原料２１からの融液２３の生成速度を適正な大きさに設定するための手段については、複数の異なる手段を併用してもよい。

【0058】

なお、ダイ１０の第１の面１０ａは、第１の開口部１１ａを底部に含む凹型形状を有してもよい。第１の面１０ａがこのような形状を有することにより、焼結体原料２１と第１の面１０ａとの間の融液２３が保持される空間が大きくなるため、融液２３の第２の開口部１１ｂへの供給が途切れにくくなる。

【0059】

図４は、第１の面１０ａが凹型形状を有するダイ１０の形状の一例を表す垂直断面図である。図４に示される例では、貫通孔１１はスリットであり、第１の開口部１１ａの長手方向に直交するダイ１０の断面における第１の面１０ａの形状が、底部に第１の開口部１１ａを有するＶ字形状である。

【0060】

また、第２の面１０ｂが円形であってもよい。この場合、種結晶２２を移動方向を軸として回転させながらダイ１０から離れる方向に移動させることにより、円柱状の単結晶２０を育成することができる。なお、この場合に用いられる種結晶保持部１４は、種結晶２２を保持した状態で、移動方向を軸として回転することができる。

【0061】

（単結晶基板の製造工程）
次に、育成した単結晶２０から単結晶基板を製造する方法の一例について述べる。

【0062】

まず、例えば、厚さが１８ｍｍの単結晶２０を育成した後、単結晶育成時の熱歪緩和と電気特性の向上を目的とするアニールを行う。雰囲気は窒素雰囲気が好ましいが、アルゴンやヘリウム等の他の不活性雰囲気でもよい。アニール保持温度は１４００〜１６００℃の温度が好ましい。保持温度でのアニール時間は６〜１０時間程度が好ましい。

【0063】

次に、種結晶２２と単結晶２０の分離を行うため、ダイヤモンドブレードを用いて切断を行う。まず、カーボン系のステージに熱ワックスを介して単結晶２０を固定する。カーボン系ステージに固定された単結晶２０を切断機にセッティングし、切断を行う。ブレードの粒度は＃２００〜＃６００（ＪＩＳＢ４１３１による規定）程度であることが好ましく、切断速度は毎分６〜１０ｍｍくらいが好ましい。切断後は、熱をかけてカーボン系ステージから単結晶２０を取外す。

【0064】

次に、超音波加工機やワイヤー放電加工機を用いて単結晶２０の縁を丸形に加工する。また、縁の所望の場所にオリエンテーションフラットを形成することも可能である。

【0065】

次に、マルチワイヤーソーにより、丸形に加工された単結晶２０を１ｍｍ程度の厚さにスライスし、単結晶基板を得る。この工程において、所望のオフセット角にてスライスを行うことができる。ワイヤーソーは固定砥粒方式のものを用いることが好ましい。スライス速度は毎分０．１２５〜０．３ｍｍ程度が好ましい。

【0066】

次に、加工歪緩和、及び電気特性向上、透過性向上を目的とするアニールを単結晶基板に施す。昇温時には酸素雰囲気でのアニールを行い、昇温後に温度を保持する間は窒素雰囲気に切替えてアニールを行う。温度を保持する間の雰囲気はアルゴンやヘリウム等の他の不活性雰囲気でも良い。保持温度は１４００〜１６００℃が好ましい。

【0067】

次に、単結晶基板のエッジに所望の角度にて面取り（べベル）加工を施す。

【0068】

次に、ダイヤモンドの研削砥石を用いて、所望の厚さになるまで単結晶基板を研削する。砥石の粒度は＃８００〜１０００（ＪＩＳＢ４１３１による規定）程度であることが好ましい。

【0069】

次に、研磨定盤とダイヤモンドスラリーを用いて、所望の厚さになるまで単結晶基板を研磨する。研磨定盤は金属系やガラス系の材質のものが好ましい。ダイヤモンドスラリーの粒径は０．５μｍ程度が好ましい。

【0070】

次に、ポリシングクロスとＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）用のスラリーを用いて、原子レベルの平坦性が得られるまで単結晶基板を研磨する。ポリッシングクロスはナイロン、絹繊維、ウレタン等の材質のものが好ましい。スラリーにはコロイダルシリカを用いることが好ましい。ＣＭＰ工程後の単結晶基板の主面の平均粗さはＲａ０．０５〜０．１ｎｍ程度である。

【0071】

なお、単結晶基板に厚みが必要ない場合は、単結晶２０を厚さ方向に肩を広げずに育成し、単結晶基板を切り出してもよい。

【0072】

〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、単結晶２０の育成方向や、ダイ１０の構成において第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。

【0073】

本発明においては、単結晶２０の原料である焼結体原料２１が固体であるため、ダイ１０との位置関係が限定されない。これにより、単結晶２０を任意の方向に成長させることができる。例えば、種結晶保持部１４を種結晶２２を保持した状態で鉛直方向よりも水平方向に近い方向に移動させ、単結晶２０を育成することができる。

【0074】

図５（ａ）、（ｂ）は、単結晶２０を水平方向に育成する様子を表す概念図である。この場合、水平方向を向いたダイ１０の第１の面１０ａに焼結体原料２１を接触させて融液２３を生成し、第２の開口部１１ｂに達した融液２３に種結晶２２を接触させ、種結晶２２を水平方向にダイ１０から離すことにより単結晶２０を育成する。なお、ダイ１０を種結晶２２から離してもよい。すなわち、種結晶２２とダイ１０を方向Ｄ２に平行な方向に沿って相対的に離せばよい。図５（ａ）、（ｂ）に示される例では、焼結体原料２１の移動方向Ｄ１及び単結晶２０の育成時の種結晶２２の移動方向（単結晶２０の育成方向）Ｄ２が水平方向である。

【0075】

なお、例えば、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７、ＢａＢ_２Ｏ_４等の単結晶は、水平ブリッジマン法等の水平方向の育成方法により、結晶品質の高いものを育成できることが知られている。

【0076】

また、焼結体原料２１の移動方向Ｄ１と単結晶２０の育成時の種結晶２２の移動方向（単結晶２０の育成方向）Ｄ２が異なっていてもよい。すなわち、貫通孔１１の第１の開口部１１ａの開口面と第２の開口部１１ｂの開口面が平行でなくてもよい。言い換えると、第１の開口部１１ａの開口面に垂直な方向と第２の開口部１１ｂの開口面に垂直な方向が異なる。

【0077】

図６（ａ）は、焼結体原料２１が移動する方向Ｄ１と単結晶２０の育成時に種結晶２２が移動する方向Ｄ２とが直交する場合の、単結晶２０を育成する様子を表す概念図である。図６（ａ）に示される例では、第１の面１０ａと第２の面１０ｂが隣り合う直方体のダイ３０が用いられる。ダイ３０においては、第１の開口部１１ａの開口面と第２の開口部１１ｂの開口面が直交する。

【0078】

この場合、水平方向を向いたダイ３０の第１の面１０ａに焼結体原料２１を接触させて融液２３を生成し、鉛直上方向に向いた第２の開口部１１ｂに達した融液２３に種結晶２２を接触させ、種結晶２２を鉛直上方向に引き上げることにより単結晶２０を育成する。焼結体原料２１が移動する方向Ｄ１は水平方向であり、単結晶２０の育成時に種結晶２２が移動する方向Ｄ２は鉛直上方向である。なお、ダイ３０を鉛直下方向に引き下げてもよい。すなわち、種結晶２２とダイ１０を方向Ｄ２に平行な方向に沿って相対的に離せばよい。

【0079】

さらに、ダイ３０は、複数の第１の開口部１１ａを有してもよい。この場合、複数の焼結体原料２１から融液２３を生成することができる。この場合、単数の焼結体原料２１を用いる場合と比較して、個々の焼結体原料２１のサイズを小さくすることができる。

【0080】

図６（ｂ）は、２つの第１の開口部１１ａが対向して設けられている場合の、単結晶２０を育成する様子を表す概念図である。この場合、水平方向を向いた２つの第１の面１０ａにそれぞれ焼結体原料２１を接触させて融液２３を生成し、鉛直上方向に向いた第２の開口部１１ｂに達した融液２３に種結晶２２を接触させ、種結晶２２を鉛直上方向に引き上げることにより単結晶２０を育成する。なお、ダイ３０を鉛直下方向に引き下げてもよい。すなわち、種結晶２２とダイ１０を方向Ｄ２に平行な方向に沿って相対的に離せばよい。

【0081】

〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態は、単結晶２０の育成時にネッキング及び肩広げを行わない点において第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。

【0082】

（単結晶の育成工程）
図７は、第３の実施の形態に係る単結晶２０の育成工程を表す概念図である。なお、図７においては、単結晶育成装置１の加熱部１２、原料保持部１３、種結晶保持部１４、及び断熱材１５の図示を省略する。

【0083】

本実施の形態において用いる種結晶２２は、融液２３と接触させる面の面積がダイ１０の第２の面１０ｂの面積とほぼ等しい。育成時に肩広げを行うことなく、幅の広い単結晶２０を得ることができる。

【0084】

まず、図７（ａ）に示されるように、加熱部１２を用いてダイ１０を加熱し、ダイ１０の温度を、焼結体原料２１が溶融する温度まで２ｄｅｇ／ｍｉｎで上昇させる。

【0085】

次に、図７（ｂ）に示されるように、焼結体原料２１をダイ１０に向かう方向Ｄ１に移動させて、加熱されたダイ１０の第１の面１０ａに接触させて溶融させ、生成された融液２３を貫通孔１１の第１の開口部１１ａから第２の開口部１１ｂまで毛細管現象により移動させる。なお、焼結体原料２１をダイ１０に接触させた後にダイ１０を加熱してもよい。また、ダイ１０を焼結体原料２１に近づけてもよい。すなわち、焼結体原料２１とダイ１０を方向Ｄ１に平行な方向に沿って相対的に近づければよい。

【0086】

図７（ａ）〜（ｃ）に示される例では、焼結体原料２１を鉛直上方向に移動させて、加熱されたダイ１０の第１の面１０ａに接触させる。

【0087】

次に、図７（ｃ）に示されるように、第２の開口部１１ｂに達した融液２３に種結晶２２を接触させ、種結晶２２をダイ１０から離れる方向Ｄ２に移動させることにより単結晶２０を育成する。なお、ダイ１０を種結晶２２から離してもよい。すなわち、種結晶２２とダイ１０を方向Ｄ２に平行な方向に沿って相対的に離せばよい。

【0088】

図７（ａ）〜（ｃ）に示される例では、種結晶２２を鉛直下方向に移動させて、第２の開口部１１ｂに達した融液２３に接触させ、その後、種結晶２２を鉛直上方向に移動させて、単結晶２０を育成する。

【0089】

具体的には、例えば、種結晶２２を速度１０ｍｍ／ｍｉｎで下降させて融液２３に接触させ、速度２０ｍｍ／ｈで種結晶２２を引き上げて、単結晶２０の育成を開始する。本実施の形態では、単結晶２０のネッキング及び肩広げを行わない。

【0090】

融液２３の供給速度は、単結晶２０の育成開始直後から２７．８ｍｍ／ｈとする。ダイ１０側の融液２３の厚さが増加する場合は、供給速度を調整して増加を抑える。なお、例えば、焼結体原料２１の比重が４．２４である場合、酸化ガリウムの固体の比重が５．９であるため、融液２３の供給速度を“育成速度×５．９／４．２４”以上にしなければ、供給が間に合わなくなる。

【0091】

定型部の長さが１５０ｍｍになるまで単結晶２０を育成した後、融液２３から切り離す。その後、２ｄｅｇ／ｍｉｎでダイ１０を冷却する。

【0092】

本実施の形態によれば、ネッキングや肩広げを行わずに単結晶２０を成長させることにより、単結晶２０の双晶化を効果的に抑えることができる。なお、本実施の形態の単結晶育成に、第２の実施の形態のダイ３０を用いてもよい。

【0093】

（実施の形態の効果）
上記の実施の形態によれば、貫通孔１１を有するダイ１０、３０を用いて、ルツボを用いずに固体原料である焼結体原料２１から単結晶２０を育成するため、大型の単結晶２０を安価に得ることができる。また、第２の実施の形態において示したように、単結晶２０の育成方向、ダイ１０における第１の開口部１１ａと第２の開口部１１ｂの配置、第１の開口部１１ａの数等が自由であるため、単結晶育成装置１の設計の自由度が大きい。

【0094】

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

【0095】

また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

【符号の説明】

【0096】

１…単結晶育成装置、１０、３０…ダイ、１０ａ…第１の面、１０ｂ…第２の面、１１…貫通孔、１１ａ…第１の開口部、１１ｂ…第２の開口部、１２…加熱部、１３…原料保持部、１４…種結晶保持部、２０…単結晶、２１…焼結体原料、２２…種結晶

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】