特開 2023-106875 金属酸化物単結晶の製造装置および金属酸化物単結晶の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023106875

(43)【公開日】2023-08-02

(54)【発明の名称】金属酸化物単結晶の製造装置および金属酸化物単結晶の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/16 20060101AFI20230726BHJP

   C30B 11/00 20060101ALI20230726BHJP

【ＦＩ】

C30B29/16

C30B11/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022007857

(22)【出願日】2022-01-21

(71)【出願人】

【識別番号】504180239

【氏名又は名称】国立大学法人信州大学

(71)【出願人】

【識別番号】000236687

【氏名又は名称】不二越機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001726

【氏名又は名称】弁理士法人綿貫国際特許・商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】干川 圭吾

(72)【発明者】

【氏名】太子 敏則

(72)【発明者】

【氏名】小林 拓実

【テーマコード（参考）】

4G077

【Ｆターム（参考）】

4G077AA02

4G077BB10

4G077CD02

4G077EA02

4G077ED01

4G077EG15

4G077EG21

4G077EG25

4G077MB04

4G077MB26

4G077MB33

(57)【要約】

【課題】金属酸化物単結晶の製造装置、特に酸化雰囲気下で高融点の金属酸化物単結晶を製造する金属酸化物単結晶の製造装置において、種子付けを行う際、種子結晶に結晶育成方向の温度差を確実に生じさせて、種子付けが確実に行える金属酸化物単結晶の製造装置および製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る金属酸化物単結晶の製造装置１０は、第１端部１８ａと第２端部１８ｂとを有し、第１端部１８ａ側に結晶原料３４、第２端部１８ｂ側に種子結晶３４を配置して結晶原料３６および種子結晶３４を収容するためのるつぼ１８と、るつぼ１８を加熱する発熱体３０と、第３端部４４ａと第４端部４４ｂとを有し、第３端部４４ａがるつぼ１８の第２端部１８ｂに当接してまたは近接して設けられて、第２端部１８ｂの熱を奪うことによって第２端部１８ｂを冷却する冷却棒４４と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部側に結晶原料、前記第２端部側に種子結晶を配置して前記結晶原料および前記種子結晶を収容するためのるつぼと、
前記るつぼを加熱する発熱体と、
第３端部と第４端部とを有し、前記第３端部が前記るつぼの前記第２端部に当接してまたは近接して設けられて、前記第２端部の熱を奪うことによって前記第２端部を冷却する冷却棒と、を備えていること
を特徴とする金属酸化物単結晶の製造装置。

【請求項2】

前記冷却棒の内部に、流体が通流するための通流路を有していること
を特徴とする請求項１記載の金属酸化物単結晶の製造装置。

【請求項3】

前記通流路は、前記冷却棒の前記第４端部側から前記第３端部側に向かって流体が通流する往流路と、前記冷却棒の前記第３端部側から前記第４端部側に向かって流体が通流する復流路と、からなり、
前記往流路と前記復流路とが、前記冷却棒の前記第３端部の内部で連通していること
を特徴とする請求項２記載の金属酸化物単結晶の製造装置。

【請求項4】

前記冷却棒は、二重管構造となっており、前記二重管構造における内管の内部が前記往流路となっており、前記内管と外管との間の間隙が前記復流路となっていること
を特徴とする請求項３記載の金属酸化物単結晶の製造装置。

【請求項5】

前記冷却棒の前記第３端部が前記るつぼの前記第２端部に近接して設けられる構成において、
前記冷却棒の前記第３端部に、開口部を有し、
前記冷却棒の前記第４端部側から前記第３端部側に向かって前記通流路を通流する流体が前記開口部から前記るつぼの前記第２端部に向かって排出されること
を特徴とする請求項２記載の金属酸化物単結晶の製造装置。

【請求項6】

前記冷却棒の前記第３端部が前記るつぼの前記第２端部に当接して設けられる構成において、
前記冷却棒の前記第３端部と前記るつぼの前記第２端部とが面接触するように構成されていること
を特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の金属酸化物単結晶の製造装置。

【請求項7】

前記冷却棒は、前記るつぼを移動させるるつぼ移動部の内部に延設されていること
を特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の金属酸化物単結晶の製造装置。

【請求項8】

前記るつぼは、前記第１端部を上向きに、且つ前記第２端部を下向きして配置され、
前記るつぼの前記第２端部を下方から支持するるつぼ軸が設けられ、
前記冷却棒は、前記るつぼ軸の内部に延設されていること
を特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の金属酸化物単結晶の製造装置。

【請求項9】

前記冷却棒は、前記るつぼ軸の中心軸と一致するように配置されていること
を特徴とする請求項８記載の金属酸化物単結晶の製造装置。

【請求項10】

酸化雰囲気下で金属酸化物単結晶を製造する装置であること
を特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の金属酸化物単結晶の製造装置。

【請求項11】

酸化ガリウム結晶を製造する装置であること
を特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の金属酸化物単結晶の製造装置。

【請求項12】

種子結晶および結晶原料を収容したるつぼを発熱体によって加熱し、前記種子結晶に温度差を生じさせて前記種子結晶の一部を融解させると共に、前記結晶原料を融解させて、融解した前記種子結晶の一部と前記結晶原料とを前記種子結晶側から前記結晶原料側に向かって固化させて結晶化させる金属酸化物単結晶の製造方法において、
前記種子結晶に前記温度差を生じさせる際に最も温度が低くなるように設定される種子結晶部位が接触するるつぼ部位に、前記るつぼの外部から冷却棒を当接させてまたは近接させて設けることによって、前記冷却棒により前記るつぼ部位の熱を奪って冷却させること
を特徴とする金属酸化物単結晶の製造方法。

【請求項13】

前記冷却棒の内部に、流体が通流するための通流路を有していること
を特徴とする請求項１２記載の金属酸化物単結晶の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属酸化物単結晶を製造するための装置である金属酸化物単結晶の製造装置および製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

金属酸化物単結晶の製造装置（以下、「装置」と表記する場合がある）が知られている。一例として、特許文献１（特開２０２１－１３４１４０号公報）には、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）を適用した酸化ガリウム単結晶（以下、「酸化ガリウム結晶」と表記する場合がある）の製造装置が記載されている。当該装置においては、先ず、るつぼの底部に種子結晶（酸化ガリウム結晶）を収容し、さらに種子結晶の上に結晶原料（例えば、酸化ガリウムの焼結体）を収容する。次に、当該るつぼを炉内に配置する。次に、発熱体により炉内（るつぼ）を加熱して、結晶原料、および、種子結晶の一部（結晶成長の起点となる結晶原料側の部位）を融解させる。次に、当該融液を冷却して種子結晶の融解部から結晶成長を開始し、上方に向かって結晶原料融液を固化させることにより結晶化を進行させて、最終的に結晶原料融液全体を結晶化させる。

【0003】

特許文献１では、るつぼを下方から支持するるつぼ軸を動作させて当該るつぼを上下方向に移動可能に構成すると共に、当該るつぼを発熱体の位置に対して相対的に降下させることにより結晶成長させる。これに対して、るつぼを移動させる代わりに炉内の温度分布を変化させることにより結晶成長界面を移動させる垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）を適用した装置も知られている。また、水平方向に結晶成長させる水平ブリッジマン法（ＨＢ法）もしくは水平温度勾配凝固法（ＨＧＦ法）を適用した装置等も知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１３４１４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

前述のように、結晶育成の際、種子結晶に結晶育成方向の温度差（結晶原料側の温度が相対的に高くその逆側の温度が相対的に低くなる温度差）を生じさせて、種子結晶の一部（結晶成長の起点となる結晶原料側の部位）を融解させることを「種子付け」という。

【0006】

ここで、特許文献１に例示される酸化ガリウム結晶の製造装置のように、酸化雰囲気下で高融点の金属酸化物単結晶を製造する金属酸化物単結晶の製造装置において特に問題になる課題として、種子付けの確実性についての課題がある。一例として、酸化ガリウムの融点は、１８００℃付近となっている。そこで、炉内を酸化雰囲気（本願では、酸素等のような酸化性のガスを含む雰囲気のことをいい、例えば、「酸素雰囲気」および「大気雰囲気」はこれに含まれる）にして、酸化ガリウム結晶の原料を融解させて結晶化させようとすると、このような温度環境および雰囲気環境を作り出すための炉に使用可能な材料としては、アルミナ等の所定の材料に限られる。このような炉において発熱体によりるつぼを加熱すると、炉内温度は当該材料の耐熱限界付近にまで達する。そこで、炉に負荷をかけないように、一例として、特許文献１では、円筒型の炉の内壁に沿って保温材により構成される炉内管を設けている。これにより、炉内（例えば、発熱体の発熱部が配設される高さ領域であって発熱体の発熱範囲となる領域）からの熱放出を抑制し、炉内の保温性を向上させている。

【0007】

しかしながら、この構成によれば、炉内の保温性が向上することで炉内に配置されたるつぼ周辺に温度勾配を生じさせ難くなり、種子結晶の温度制御が難しくなる。その結果、種子付けを行う際、種子結晶に結晶育成方向の温度差（ここでは、種子結晶の上下部位間の温度差）を生じさせ難くなって（例えば、０．５～１．０℃程度に温度差が小さくなることがある）、種子付けの確実性が低下するという不具合が生じる。

【0008】

また、特許文献１では、酸化ガリウム結晶育成用のるつぼとして、高温環境および酸化雰囲気環境に適用する白金ロジウム合金製のるつぼを使用すると共に、当該るつぼを下方から支持するるつぼ軸の上端部に、耐熱温度が高く且つ白金ロジウムとも反応しないジルコニア製の支持体（アダプタ）を設けている。しかしながら、この構成によっても、熱伝導率が低いジルコニアによる保温効果によって、種子付けを行う際、種子結晶に結晶育成方向の温度差を生じさせ難くなる結果となっていた。そこで、種子付けを行う際の種子結晶に対して、結晶育成方向（例えば、ＶＢ法やＶＧＦ法等では上下方向、ＨＢ法やＨＧＦ法等では水平方向）の温度差を確実に生じさせることができる構成が望まれていた。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、上記事情に鑑みてなされ、金属酸化物単結晶の製造装置、特に酸化雰囲気下で高融点の金属酸化物単結晶を製造する金属酸化物単結晶の製造装置において、種子付けを行う際、種子結晶に結晶育成方向の温度差（結晶原料側の温度が相対的に高くその逆側の温度が相対的に低くなる温度差）を確実に生じさせて、種子付けが確実に行える金属酸化物単結晶の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

【0010】

本発明は、一実施形態として以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。

【0011】

本発明に係る金属酸化物単結晶の製造装置は、第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部側に結晶原料、前記第２端部側に種子結晶を配置して前記結晶原料および前記種子結晶を収容するためのるつぼと、前記るつぼを加熱する発熱体と、第３端部と第４端部とを有し、前記第３端部が前記るつぼの前記第２端部に当接してまたは近接して設けられて、前記第２端部の熱を奪うことによって前記第２端部を冷却する冷却棒と、を備えていることを特徴とする。

【0012】

これによれば、結晶原料と種子結晶とが結晶育成方向に並んで収容されるるつぼにおいて、種子結晶の一部（結晶原料側）を融解する種子付けに際して非融解部になるように設定される種子結晶部位（結晶原料側の逆側）が接触するるつぼ部位である第２端部に、冷却棒を当接してまたは近接して設けることで、第２端部の熱を奪って第２端部を冷却することができる。その結果、種子結晶に、結晶原料側の温度が相対的に高くその逆側の温度が相対的に低くなる温度差、すなわち結晶育成方向の温度差を生じさせることができる。その結果、種子結晶の結晶原料側に融解部を、その逆側に非融解部を作り出して種子付けが確実に行えるようになる。

【0013】

また、前記冷却棒の内部に、流体が通流するための通流路を有していることが好ましい。これによれば、冷却棒の内部に流体を通流させて、流体によってるつぼの第２端部の熱を奪って第２端部を冷却することができる。

【0014】

また、前記通流路は、前記冷却棒の前記第４端部側から前記第３端部側に向かって流体が通流する往流路と、前記冷却棒の前記第３端部側から前記第４端部側に向かって流体が通流する復流路と、からなり、前記往流路と前記復流路とが、前記冷却棒の前記第３端部の内部で連通するように構成されていてもよい。当該構成においては、前記冷却棒は、二重管構造となっており、前記二重管構造における内管の内部が前記往流路となっており、前記内管と外管との間の間隙が前記復流路となっていることが好ましい。これによれば、冷却棒の通流路に導入された流体が、内周路である往流路を通流して冷却棒の第３端部に達して、るつぼの第２端部から熱を奪うと共に、当該第３端部にて復流路に入り、外周路である復流路を通流して冷却棒外（すなわち、炉外）に排出されることで、るつぼの第２端部を冷却することができる。

【0015】

また、前記冷却棒の前記第３端部が、前記るつぼの前記第２端部に近接して設けられる構成においては、前記冷却棒の前記第３端部に、開口部を有し、前記冷却棒の前記第４端部側から前記第３端部側に向かって前記通流路を通流する流体が、前記開口部から前記るつぼの前記第２端部に向かって排出されるように構成されていてもよい。これによれば、るつぼの第２端部に向かって吹付けられた流体が第２端部に当たることで、第２端部の熱を奪って冷却することができる。

【0016】

また、前記冷却棒の前記第３端部が、前記るつぼの前記第２端部に当接して設けられる構成においては、前記冷却棒の前記第３端部と前記るつぼの前記第２端部とが面接触するように構成されていることが好ましい。これによれば、冷却対象であるるつぼの第２端部に対する冷却棒の接触面積を大きくして、より多くの熱を冷却棒で受け取るように構成することで、冷却効果を向上させることができる。

【0017】

また、前記冷却棒は、前記るつぼを移動させるるつぼ移動部の内部に延設されていることが好ましい。これによれば、るつぼを移動させる移動機構を備えるＶＢ法もしくはＨＢ法等を適用した装置において、冷却棒を好適に設けることができる。

【0018】

また、前記るつぼは、前記第１端部を上向きに、且つ前記第２端部を下向きして配置され、前記るつぼの前記第２端部を下方から支持するるつぼ軸が設けられ、前記冷却棒は、前記るつぼ軸の内部に延設されていることが好ましい。これによれば、上下方向に結晶成長させるＶＢ法もしくはＶＧＦ法等を適用した装置において、冷却棒を好適に設けることができる。

【0019】

また、前記冷却棒は、前記るつぼ軸の中心軸と一致するように配置されていることが好ましい。これによれば、冷却棒がるつぼ軸の内壁に接触することを防止して、高温による冷却棒の焼結、変形、および、ひび割れを防止できる。

【0020】

また、本発明に係る金属酸化物単結晶の製造装置は、酸化雰囲気下で金属酸化物単結晶を製造する装置、また、高融点である酸化ガリウム結晶を製造する装置として好適に適用できる。

【0021】

また、本発明に係る金属酸化物単結晶の製造方法は、種子結晶および結晶原料を収容したるつぼを発熱体によって加熱し、前記種子結晶に温度差を生じさせて前記種子結晶の一部を融解させると共に、前記結晶原料を融解させて、融解した前記種子結晶の一部と前記結晶原料とを前記種子結晶側から前記結晶原料側に向かって固化させて結晶化させる金属酸化物単結晶の製造方法において、前記種子結晶に前記温度差を生じさせる際に最も温度が低くなるように設定される種子結晶部位が接触するるつぼ部位に、前記るつぼの外部から冷却棒を当接させてまたは近接させて設けることによって、前記冷却棒により前記るつぼ部位の熱を奪って冷却させることを特徴とする。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、種子結晶に結晶育成方向の温度差（結晶原料側の温度が相対的に高くその逆側の温度が相対的に低くなる温度差）を確実に生じさせて、種子付けが確実に行えるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造装置の例を示す概略図（垂直断面図）であり、発熱体として抵抗加熱による発熱体を適用した例を示す。

【図2】図２は、本発明の第１の実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造装置の例を示す概略図（垂直断面図）であり、発熱体として誘導加熱による発熱体を適用した例を示す。

【図3】図３Ａは、図１Ａに示す金属酸化物単結晶の製造装置におけるるつぼを拡大した拡大図である。図３Ｂは、図３Ａに示するつぼの他の例を示す概略図（垂直断面図）である。

【図4】図４Ａは、図１Ａに示す金属酸化物単結晶の製造装置における冷却棒を拡大した拡大図である。図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄは、図４Ａに示す冷却棒の他の例を示す概略図（垂直断面図）である。

【図5】図５は、図４Ａに示す冷却棒の他の例を示す概略図（垂直断面図）である。

【図6】図６は、本発明の第１の実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造装置における冷却棒による作用効果について説明する説明図である。

【図7】図７Ａは、本発明の第２の実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造装置における冷却棒の例を示す概略図（垂直断面図）である。図７Ｂおよび図７Ｃは、図７Ａに示す冷却棒の他の例を示す概略図（垂直断面図）である。

【図8】図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃは、図７Ａに示す冷却棒の配置例を示す説明図である。

【図9】図９は、本発明の第２の実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造装置における冷却棒による作用効果について説明する説明図である。

【図10】図１０は、実施例１の方法について説明する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。なお、全ての実施形態に係る全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。本発明の第１の実施形態は、上下方向に結晶成長させるＶＢ法もしくはＶＧＦ法等が適用可能な金属酸化物単結晶の製造装置１０の例である。

【0025】

図１および図２は、本実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造装置１０の例を示す垂直断面図である。図１Ａおよび図１Ｂは、発熱体３０として抵抗加熱による発熱体３０を適用した例を示す。図２は、発熱体３０として誘導加熱による発熱体３０を適用した例を示す。以下、一例として、金属酸化物を酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）とし、図１Ａに沿って本実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造装置１０の基本構成を説明する。

【0026】

図１Ａに示すように、本実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造装置１０（酸化ガリウム結晶の製造装置１０）は、結晶原料３６および種子結晶３４を収容するためのるつぼ１８と、るつぼ１８を収容するための炉１４と、るつぼ１８を下方から支持すると共にるつぼ１８を移動させるるつぼ軸１６と、るつぼ１８およびるつぼ軸１６を囲む炉心管２６と、炉心管２６を囲む炉内管２８と、炉心管２６と炉内管２８との間の空間に発熱部３０ａが配置されるように設けられてるつぼ１８を加熱する発熱体３０と、を備えている。さらに、本装置１０は、るつぼ１８の下端部１８ｂを冷却する冷却棒４４を備えている。

【0027】

炉１４は、基体１２上に設けられ、筒状をなして、上部が閉塞されている。炉１４は、アルミナ等の耐熱材からなり、それぞれ固有のサイズ（高さ、外径および内径）を有する環状部材１４ａが、入れ子状に組み合わされ、また、上下に積層されて筒状をなすと共に、内部に空間が形成されている（各環状部材１４ａ間の境界は不図示）。なお、当該環状部材１４ａは、中心から放射状に分割される分割片が接合されてなることで、それぞれ固有のサイズが実現されている。炉１４内は、相対的に大きな内径の空間である結晶育成部１５ａを有し、当該結晶育成部１５ａの底面の中央部に相対的に小さな内径の空間である凹部１５ｂが連通して形成されている。

【0028】

また、るつぼ軸１６は、炉１４の中心軸と一致するように基体１２を貫通すると共に、凹部１５ｂを経て結晶育成部１５ａの中央高さ付近まで上下方向に延設されている。るつぼ軸１６は、駆動機構（不図示）により上下方向に移動可能且つ軸回転可能に構成されている。結晶育成を行う際は、るつぼ軸１６上にるつぼ１８が配置され、るつぼ軸１６を動作させることで当該るつぼ１８を炉１４内で上下動させたり軸回転させたりすることができる。つまり、本実施形態においては、るつぼ軸１６は、るつぼ１８を支持する機能、および、るつぼ１８を移動させる機能の両方の機能を有する。本願請求項の「前記るつぼの前記第２端部を下方から支持するるつぼ軸」および「前記るつぼを移動させるるつぼ移動部」は、本実施形態ではいずれもるつぼ軸１６に相当する。一方、ＶＧＦ法が適用される装置１０では、るつぼ軸１６は必ずしもるつぼ１８を移動させる機能を有している必要はなく、少なくともるつぼ１８を支持する機能を有していればよい。また、るつぼ軸１６は、凹部１５ｂの底部から炉１４外へ取出せるように構成されている。したがって、るつぼ１８が炉１４内外に出し入れされる際は、るつぼ軸１６ごと出し入れされる。

【0029】

また、本実施形態に係る酸化ガリウム結晶育成用るつぼ１８としては、白金系合金製のるつぼ、例えば、白金ロジウム合金製のるつぼ１８（例えば、Ｒｈ含有量が１０～３０ｗｔ％）もしくは白金イリジウム合金製のるつぼ１８（例えば、Ｉｒ含有量が２０～３０ｗｔ％）等が好適に適用される。本実施形態に係るるつぼ軸１６は、アルミナ等の耐熱材で軸状に構成され、さらにその上に耐熱温度がより高く（例えば、２０００℃程度）且つ高温下でるつぼ１８を構成する白金ロジウム合金等とも反応しないジルコニアからなる支持体１６ａ（アダプタ１６ａ）が設けられている。これによれば、るつぼ１８をより安定して配置できる。ただし、支持体１６ａ（アダプタ１６ａ）は、任意の構成である。また、支持体１６ａ（アダプタ１６ａ）は、るつぼ軸１６の一部として、るつぼ軸１６の概念に含まれる構成である。

【0030】

また、結晶原料３６および種子結晶３４を収容するためのるつぼ１８は、図３Ａに示すように、一端閉塞筒状の小径部３８と、両端開口筒状の大径部４２と、小径部３８と大径部４２との間で小径部３８から大径部４２に向けて拡径して伸びる拡径部４０と、からなる漏斗状に形成されている。ただし、るつぼ１８の形状はこれに限定されない。他の例として、図３Ｂに示すように、単に、一端閉塞筒状に形成されていてもよい。るつぼ１８は、開口する一端を上端部１８ａとして且つ閉塞する他端を下端部１８ｂとして（図３Ａでは、大径部４２側を上向きに且つ小径部３８側を下向きして）、るつぼ軸１６（支持体１６ａ）上に配置される。なお、るつぼ軸１６（支持体１６ａ）の形状も、るつぼ１８の形状に合わせて適宜設定されればよい。

【0031】

また、中空のるつぼ軸１６の内部には、るつぼ１８の下端部１８ｂを冷却する冷却棒４４が延設されている。冷却棒４４の詳細は後述する。また、るつぼ軸１６の内壁と冷却棒４４との間の間隙に、るつぼ１８の所定部位の温度を計測する熱電対２０（図１０に、熱電対２０の一部である測温部を符号２０として表示）が設けられている。熱電対２０の数や測温部の設置場所は限定されない。

【0032】

また、基体１２を貫通して凹部１５ｂに開口し、炉１４の内外を連通する吸気管２２が設けられている。また、炉１４の中心軸と一致するように炉１４の上部を貫通して、炉１４の内外を連通する排気管２４が設けられている。吸気管２２および排気管２４によって、炉１４内は、通常、大気雰囲気になるように構成されているが、例えば、吸気管２２からの大気の流入量等を調整して炉１４内の雰囲気（例えば、酸素濃度）を調整してもよい。また、吸気管２２から大気以外の所定のガス（例えば、酸素）を導入して炉１４内を所定の雰囲気（例えば、酸素雰囲気）に調整してもよい。なお、吸気管２２は炉１４における下部側に設けられ、排気管２４は炉１４における上部側に設けられていればよく、吸気管２２および排気管２４の位置は限定されない。

【0033】

また、炉心管２６は、凹部１５ｂの内壁に沿って、当該凹部１５ｂの底部から結晶育成部１５ａの上部まで延設されている。また、炉心管２６の上部は天板２６ａで覆われており、炉心管２６は、るつぼ１８およびるつぼ軸１６の側方および上方を囲んでいる（ただし、排気管２４の下端部が天板２６ａを貫通して、炉心管２６内に連通している）。炉心管２６によれば、るつぼ１８周辺の熱の流れを制御して、結晶育成時において、るつぼ１８周辺に所要の温度勾配条件を作り出すことができる。

【0034】

また、炉内管２８は、結晶育成部１５ａの内壁に沿って、結晶育成部１５ａの底部から上部まで延設されている。炉内管２８は、結晶育成部１５ａに配置される発熱体３０の発熱部３０ａの側方を囲んでいる。炉内管２８によれば、発熱体３０からの熱の流れを抑制して、高温による炉１４（環状部材１４ａ）の焼結、変形、および、ひび割れを防止できる。したがって、炉内管２８は、熱伝導率が低いジルコニア等で構成されることが好ましい。なお、炉内管２８は、環状の支持板２８ａで支持されている。

【0035】

また、発熱体３０は、発熱部３０ａが結晶育成部１５ａにおける炉心管２６と炉内管２８との間の空間に配置されるように設けられている。図１Ａおよび図１Ｂに示す発熱体３０は、抵抗加熱による発熱体３０であって、通電することより発熱する。図１Ａに示す例では、発熱部３０ａが結晶育成部１５ａにおいて上下方向に延設されると共に、発熱部３０ａに連結する導電部３０ｂがそのまま上下方向に延設されて炉１４の上部を貫通し、炉１４で外部電源（不図示）に接続されている（図４、図５も同じ）。また、図１Ｂに示す例では、発熱部３０ａが結晶育成部１５ａにおいて上下方向に延設されると共に、発熱部３０ａに連結する導電部３０ｂが水平方向に屈曲して炉１４の側部を貫通し、炉１４で外部電源（不図示）に接続されている。このように、図１Ａおよび図１Ｂいずれの例においても発熱部３０ａが上下方向に延設されることで、るつぼ１８の周辺に、上方の温度が高く下方の温度が低くなるような上下方向の温度勾配条件を作り出せるようになっている。なお、図１Ａおよび図１Ｂでは視認できないが、発熱部３０ａの先端部は、Ｕ字状に形成され、発熱部３０ａおよび導電部３０ｂは一対になって延設されている。

【0036】

また、図１Ａおよび図１Ｂでは、発熱体３０を二個示したが、発熱体３０の数は限定されない。好ましくは、発熱体３０は、るつぼ１８の周囲を、炉心管２６を挟んで円形に囲むようにして、均等間隔で複数配設される。抵抗加熱による発熱体３０は、例えば、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）等により構成される。

【0037】

一方、図２に示す発熱体３０は、誘導加熱による発熱体３０であって、交流電源に接続されたコイル３２に所定の周波数の電流を流し、コイル３２の中に配置した発熱体３０を発熱させる。図２に示す例では、コイル３２が、炉１４外（炉１４の周囲）に設けられている。また、発熱体３０が、結晶育成部１５ａに、るつぼ軸１６の上部、およびるつぼ１８の側方および上方を、炉心管２６を挟んで囲むようにして設けられている（ただし、排気管２４の下端部が発熱体３０を貫通し、さらに炉心管２６の天板２６ａを貫通して、炉心管２６内に連通している）。誘導加熱による発熱体３０は、例えば、白金系合金、より詳しくは白金ロジウム合金（例えば、Ｒｈ含有量が１０～３０ｗｔ％）等により構成される。この場合、発熱体３０の表裏全面がジルコニア等でコーティングされていることが好ましい。これによれば、高温により発熱体３０のロジウムが酸化分解することを防止できる。

【0038】

以上のように構成される本実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造装置１０（酸化ガリウム結晶の製造装置１０）に対して、例えば、以下のようにＶＢ法を適用して酸化ガリウム結晶を製造することができる。

【0039】

先ず、るつぼ１８の底部に種子結晶３４（例えば、酸化ガリウム結晶）を収容し、さらに種子結晶３４の上に結晶原料３６（例えば、酸化ガリウムの焼結体）を収容して、るつぼ１８の下端部１８ｂ側に種子結晶３４、上端部１８ａ側に結晶原料３６を配置する。これにより、種子結晶３４および結晶原料３６は、結晶育成方向（ＶＢ法では、下方から上方に向かう方向）と同じ並び方向で、且つ、結晶育成方向の始点側に種子結晶３４、終点側に結晶原料３６が配置されるようにして、るつぼ１８に収容される。その結果、種子結晶３４の融解部３４Ａを起点として、融解した結晶原料３６を下方から上方に向かって結晶成長させることができるようになる。本願請求項の「第１端部」は、本実施形態では上端部１８ａに相当する。また、本願請求項の「第２端部」は、本実施形態では下端部１８ｂに相当する。

【0040】

ただし、ここでいうるつぼ１８の下端部１８ｂ側に種子結晶３４、上端部１８ａ側に結晶原料３６を配置することは、種子結晶３４と結晶原料３６との相対的な並び関係において、下端部１８ｂ側に種子結晶３４、上端部１８ａ側に結晶原料３６を配置することをいう。したがって、例えば、図３Ｂに示すように、結晶原料３６が必ずしも上端部１８ａまたはその近傍まで充填されていなくてもよい、また、種子結晶３４と結晶原料３６とが必ずしも完全に上下二層に分離されていなくてもよい。

【0041】

なお、本実施形態に係る漏斗状のるつぼ１８によれば、図３Ａに示すように、小径部３８内に種子結晶３４が収容されることで、種子結晶３４を結晶育成方向に伸長した姿勢で且つ安定した姿勢でるつぼ１８に収容できる。

【0042】

次に、炉１４内のるつぼ軸１６上にるつぼ１８を配置して、発熱体３０により炉１４内（るつぼ１８）を加熱する。るつぼ１８の上下位置を調整すること等により種子結晶３４に温度差を生じさせて種子結晶３４の一部（結晶成長の起点となる結晶原料３６側の部位）を融解させる種子付けを行うと共に、るつぼ１８周辺を約１８００℃程度に加熱して結晶原料３６を融解させる。また、るつぼ１８の周辺に、結晶育成に適した温度勾配条件を作り出す。次に、るつぼ軸１６を動作させてるつぼ１８をゆっくりと下降させて、種子結晶３４の融解部３４Ａを起点にして、融解した結晶原料３６を下側から冷却し、固化させて、上方に向かって結晶成長させていく。これによって、酸化ガリウム結晶を製造することができる。

【0043】

続いて、本発明に特徴的な構成である冷却棒４４について説明する。図４Ａは図１Ａに示す冷却棒４４を拡大した拡大図である。また、図４Ｂ－図４Ｄ、および図５は冷却棒４４の他の例を示す。また、図６は、冷却棒４４による作用効果を説明する説明図である。いずれの図も、冷却棒４４およびその周辺構成を示す垂直断面図であるが、冷却棒４４の構成が視認し易いように、必要に応じて一部の周辺構成を省略して示す。

【0044】

本実施形態に係る冷却棒４４は、一例として、図１Ａおよびこれを拡大した図４Ａに示すように、その一端（ここでは、上端部４４ａ）がるつぼ１８の下端部１８ｂに近接して設けられている。また、本実施形態に係る冷却棒４４は、他の例として、図４Ｂに示すように、その一端（ここでは、上端部４４ａ）がるつぼ１８の下端部１８ｂに当接して設けられている。

【0045】

冷却棒４４によれば、るつぼ１８の下端部１８ｂに冷却棒４４を当接して（図４Ｂ）または近接して（図４Ａ）設けることで、るつぼ１８の下端部１８ｂの熱を奪って下端部１８ｂを冷却することができる。したがって、るつぼ１８の下端部１８ｂに接触する種子結晶３４部位（種子結晶３４の下部）を冷却して、種子結晶３４に下部側の温度が相対的に低く上部側の温度が相対的に高くなる温度差、すなわち結晶育成方向の温度差を生じさせることができる。このことから、ここでいう冷却棒４４の上端部４４ａがるつぼ１８の下端部１８ｂに近接して設けられることは、冷却棒４４がるつぼ１８の下端部１８ｂの熱を受取ることができる程度に、冷却棒４４の上端部４４ａがるつぼ１８の下端部１８ｂの近傍に配置されていることをいう。

【0046】

具体的には、一例として、後述の実施例では、種子結晶３４の上下方向に６．６℃程度（図４Ａの構成で６．４０℃、図４Ｂの構成で６．８０℃）の温度差を生じさせることができる。また、冷却棒４４の内部に設けられた通流路４６に２．０Ｌ／ｍｉｎの空気を通流させると、９．５℃程度（図４Ａの構成で９．２５℃、図４Ｂの構成で９．８０℃）の温度差を生じさせることができる（冷却棒４４の詳細は後述する）。さらに、るつぼ１８の高さ位置を上昇させて種子結晶３４の収容部である小径部３８を上下方向の温度勾配が極めて小さくなる領域に位置させた場合でも、種子結晶３４の上下方向に２．６℃程度（図４Ａの構成で２．６５℃、図４Ｂの構成で２．４５℃）の温度差を生じさせることができる。また、冷却棒４４の内部に設けられた通流路４６に２．０Ｌ／ｍｉｎの空気を通流させると、３．７℃程度（図４Ａの構成で３．５０℃、図４Ｂの構成で３．８０℃）の温度差を生じさせることができる。

【0047】

一方、冷却棒４４を設けていない従来の構成では、発明者の測定によれば、種子結晶３４の上下方向の温度差が例えば０．５～１．０℃程度に小さくなることがあった。このことから、冷却棒４４によれば、種子結晶３４に結晶育成方向の温度差を確実に生じさせられることが分かる。その結果、図６に示すように、種子結晶３４の一部を融解させて、種子結晶３４の結晶原料３６側（結晶原料融液３６Ａ側）に融解部３４Ａを、その逆側に非融解部３４Ｂを作り出して種子付けが確実に行える。さらに結晶原料３６を融解させて結晶原料融液３６Ａにして、続いて種子結晶３４の融解部３４Ａを起点として結晶原料融液３６Ａを結晶に成長させることができる。

【0048】

冷却棒４４は、一端（ここでは、上端部４４ａ）および他端（ここでは、下端部４４ｂ）の両端部を有する延設部材である。本実施形態では、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、全体で一本の軸状に形成されているがこれに限定されず、中途において湾曲したり屈曲したりしていてもよい。また、本実施形態では、結晶育成方向に沿うようにして延設されているがこれに限定されず、結晶育成方向に対して任意の角度を取ってよい。本願請求項の「第３端部」は、本実施形態では上端部４４ａに相当する。また、本願請求項の「第４端部」は、本実施形態では下端部４４ｂに相当する。

【0049】

冷却棒４４の材料は限定されない。一例として、アルミナ、ジルコニア、マグネシア等のセラミック材料、また、白金系合金（例えば、白金ロジウム合金、白金イリジウム合金等）等の金属材料等を用いることができる。冷却機能を備える部材として設けられることから、所定の熱伝導率を有する材料で構成されるとよいといえる。ただし、冷却棒４４の内部構成（例えば、中実、中空等）、また、炉１４内の雰囲気環境、製造対象である金属酸化物の融点に起因する炉１４内の温度環境等に応じて適切な材料を選択すればよい。

【0050】

冷却棒４４の内部構成は限定されない。図４Ｃに示すように、中実に構成されてもよく、図４Ｄに示すように、中空に構成されてもよい。または、中実部と中空部とから構成されてもよい（不図示）。本実施形態では、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、冷却棒４４の内部には、流体が通流するための通流路４６が設けられている。

【0051】

通流路４６によれば、冷却棒４４の上端部４４ａに流体を通流させて、流体によりるつぼ１８の下端部１８ｂの熱を奪って下端部１８ｂを冷却すると共に、熱を受け取った流体を任意に通流させて、下端部１８ｂ周辺から適切に熱を逃がすことで、より優れた冷却効果を発揮させることができる。

【0052】

通流路４６の構成例として、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、本実施形態に係る冷却棒４４は、二重管構造となっている。より詳しくは、二重管構造における内管４８の内部が、冷却棒４４の下端部４４ｂ側から上端部４４ａ側に向かって流体が通流する往流路４６ａとなっている。また、二重管構造における内管４８と外管５０との間の間隙が、冷却棒４４の上端部４４ａ側から下端部４４ｂ側に向かって流体が通流する復流路４６ｂとなっている。さらに、往流路４６ａと復流路４６ｂとは、冷却棒４４の上端部４４ａの内部で連通する構成となっている。これにより、冷却棒４４の通流路４６に導入された流体は、内周路である往流路４６ａを通流して冷却棒４４の上端部４４ａに達して、るつぼ１８の下端部１８ｂから熱を奪うと共に、当該上端部４４ａにて復流路４６ｂに入り、外周路である復流路４６ｂを通流して冷却棒４４外（すなわち、炉１４外）に排出される（破線矢印参照）。

【0053】

この構成によれば、冷却棒４４内で流体を往復させて、熱を受け取った流体を炉１４外へ排出することによって、炉１４内の温度環境や雰囲気環境への影響を抑制して、冷却対象であるるつぼ１８の下端部１８ｂの冷却効果を確実に得ることができる。また、往流路４６ａを内周路として外部環境（すなわち、炉１４内）に隔離して設けることによって、往流路４６ａを通流する流体が、冷却棒４４の上端部４４ａに達する前に、炉１４内の熱を受取ってしまうことを防止できる。したがって、るつぼ１８の下端部１８ｂに対して流体を安定的に作用させて、冷却効果を向上させることができる。

【0054】

また、通流路４６の他の構成例として、図５に示すように、装置１０は、冷却棒４４の上端部４４ａに開口部４４ｃが設けられて、下端部４４ｂ側から上端部４４ａ側に向かって通流路４６を通流する流体が、開口部４４ｃからるつぼ１８の下端部１８ｂに向かって排出される構成となっていてもよい（破線矢印参照）。

【0055】

この構成によれば、炉１４内に流体が導入されるため、炉１４内の温度環境や雰囲気環境を適切に制御する必要が生じるが、るつぼ１８の下端部１８ｂに向かって流体を直接当てることで、冷却効果を向上させることができる。この場合、一例として、炉１４内の雰囲気と同様のガス（例えば、酸素濃度が等しいガス）を流体として使用することで、炉１４内環境への影響を少なくすることができる。

【0056】

ここで、一例として、図４Ｄに示す中空管をそのまま冷却棒４４として用いて、管内に流体を通流させると共に開口する上端部４４ａから流体を排出させる構成としてもよい。これによれば、上端部４４ａに開口部４４ｃを有する通流路４６を備える冷却棒４４を簡易に実現できる。一方、他の例として、図５に示すように、冷却棒４４を、大径の中空管内に小径の中空管が設けられる二重管構造として、小径の中空管内に流体を通流させる共に開口する上端部４４ａから流体を排出させる構成としてもよい。これによれば、通流路４６を内周路４６ｃとして外部環境（すなわち、炉１４内）に隔離して設けることによって、内周路４６ｃを通流する流体が、冷却棒４４の上端部４４ａに達する前に、炉１４内の熱を受取ってしまうことを防止できる。したがって、るつぼ１８の下端部１８ｂに対して流体を安定的に作用させて、冷却効果を向上させることができる。

【0057】

通流路４６を通流する流体は限定されず、ガスでも液体でもよいが、高温の炉１４内を通流することから、蒸発の可能性を有する液体よりもガスの方が適する。ガスの種類も限定されず、装置１０が設置されている室内の空気（すなわち、大気）をそのまま通流させてもよく、大気以外の所定のガスを通流させてもよい。ガスの流量（流速）も限定されず、一例として、後述の実施例では、１．０Ｌ／ｍｉｎで種子結晶３４に対して所定の温度差を生じさせることができる。

【0058】

また、図４Ｂに示すように、冷却棒４４の上端部４４ａがるつぼ１８の下端部１８ｂに当接して設けられる構成においては、冷却棒４４の上端部４４ａとるつぼ１８の下端部１８ｂとが面接触するように、冷却棒４４が加工されて（必要に応じてるつぼ１８も加工されて）形成されると好ましい。これによれば、冷却対象であるるつぼ１８の下端部１８ｂに対する冷却棒４４の接触面積を大きくして、より多くの熱を冷却棒４４で受け取るように構成することで、冷却効果を向上させることができる。

【0059】

また、図１Ａに示すように、本実施形態に係る冷却棒４４は、中空のるつぼ軸１６の内部に設けられている。これによれば、冷却棒４４を外部環境（すなわち、炉１４内）に隔離して設けることによって、冷却棒４４が炉１４内（結晶育成部１５ａまたは凹部１５ｂ）の熱を受取ってしまうことを防止できる。

【0060】

このとき、冷却棒４４が、るつぼ軸１６の中心軸と一致するように配置されていると好ましい。これによれば、冷却棒４４がるつぼ軸１６の内壁に接触することを防止して、高温による冷却棒４４の焼結、変形、および、ひび割れを防止できる。また、るつぼ１８の中心軸と冷却棒４４の中心軸とが一致することで、るつぼ１８の下端部１８ｂの中央から熱を奪って、るつぼ１８の下端部１８ｂ全体を均等に且つ安定的に冷却できる。

【0061】

一例として、本実施形態では、図１Ａに示すように、るつぼ軸１６の内部に、冷却棒４４をその中心に固定するガイド部材５２（例えば、ガイドリング）が設けられることで、るつぼ１８の中心軸と冷却棒４４の中心軸とが一致する構成が実現されている。ガイド部材５２の材料は限定されない。一例として、アルミナ、ジルコニア、マグネシア等のセラミック材料、また、白金、白金系合金（例えば、白金ロジウム合金、白金イリジウム合金等）等の金属材料等を用いることができる。また、ガイド部材５２の数、位置等も限定されない。

【0062】

なお、冷却棒４４の一部または全部がるつぼ軸１６の外部に設けられていてもよい。このとき、例えば、るつぼ軸１６の外部においては、冷却棒４４の周囲が保温材で覆われる構成等によって外部環境（すなわち、炉１４内）に隔離されるとよい。

【0063】

（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、水平方向に結晶成長させるＨＢ法もしくはＨＧＦ法等が適用可能な金属酸化物単結晶の製造装置１０の例である。装置１０の基本構成は、公知のＨＢ炉もしくはＨＧＦ炉等が適用されることから、説明を省略する。ここでは、本発明に特徴的な冷却棒４４について説明する。

【0064】

図７は、本実施形態に係る冷却棒４４を示す。また、図７Ｂおよび図７Ｃは冷却棒４４の他の例を示す。また、図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃは、冷却棒４４の配置例を説明する説明図である。また、図９は、冷却棒４４による作用効果を説明する説明図である。いずれの図も、冷却棒４４およびその周辺構成を示す垂直断面図であるが、冷却棒４４の構成が視認し易いように、必要に応じて一部の周辺構成を省略して示す。

【0065】

図７Ａに示すように、本実施形態に係るるつぼ１８は、水平方向に結晶育成される炉１４に適用されるボート型のるつぼ１８である。本願請求項の「第１端部」は、本実施形態では側壁の一端部１８ｃに相当する。また、本願請求項の「第２端部」は、本実施形態では側壁の一端部１８ｃの逆側である側壁の他端部１８ｄに相当する。本実施形態に係るるつぼ１８においては、側壁の一端部１８ｃ側に結晶原料３６、側壁の他端部１８ｄ側に種子結晶３４が配置されて結晶原料３６および種子結晶３４が収容される。これにより、種子結晶３４および結晶原料３６は、結晶育成方向（水平方向）と同じ並び方向でるつぼ１８に収容される。当該るつぼ１８が所定の向きで炉１４内に配置されることにより、結晶育成方向の始点側に種子結晶３４、終点側に結晶原料３６が配置される。

【0066】

本実施形態に係る冷却棒４４は、図７Ａに示すように、本願請求項の第３端部に相当する一端部４４ｄおよび本願請求項の第４端部に相当する他端部４４ｅの両端部を有する延設部材である。本実施形態に係る冷却棒４４は、一例として、一端部４４ｄがるつぼ１８の他端部１８ｄに近接して設けられている。また、本実施形態に係る冷却棒４４は、他の例として、図７Ｂに示すように、一端部４４ｄがるつぼ１８の他端部１８ｄに当接して設けられている。

【0067】

図７Ａおよび図７Ｂに示すように、本実施形態は、図４Ａに示す第１の実施形態と同様の構造を有する冷却棒４４が９０°傾けられた状態で、上記のように、るつぼ１８の他端部１８ｄに近接または当接して設けられる。冷却棒４４によれば、種子結晶３４の一部（結晶原料３６側）を融解する種子付けに際して非融解部３４Ｂになるように設定される種子結晶３４部位（結晶原料３６側の逆側）が接触するるつぼ１８部位である他端部１８ｄの熱を奪って、他端部１８ｄを冷却できる。したがって、図９に示すように、本実施形態に係る水平方向に結晶成長させる結晶育成方法が適用される装置１０において、冷却棒４４により結晶育成方向の温度差を生じさせて、種子結晶３４の結晶原料３６側（結晶原料融液３６Ａ側）に融解部３４Ａを、その逆側に非融解部３４Ｂを作り出して種子付けが確実に行える。さらに結晶原料３６を融解させて結晶原料融液３６Ａにして、続いて種子結晶３４の融解部３４Ａを起点として結晶原料融液３６Ａを結晶に成長させることができる。

【0068】

ただし、冷却棒４４は必ずしも結晶育成方向に沿って延設される必要はなく、一例として、図８Ａに示すように、結晶育成方向に対して任意の角度を取って設けられていてもよい。

【0069】

本実施形態に係る冷却棒４４の構造は第１の実施形態と同様であることから、詳細な説明は省略する。一例として、その内部に流体が通流するための通流路４６が設けられてもよい。通流路４６は、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、往流路４６ａと復流路４６ｂとが設けられて、図４Ａおよび図４Ｂと同様の構成に構成されてもよい。または、通流路４６は、図７Ｃに示すように、一端部４４ｄに開口部４４ｃが設けられて、図５と同様に構成されてもよい。

【0070】

また、本実施形態に係る水平方向に結晶成長させる結晶育成方法が適用される装置１０においては、第１の実施形態のようにるつぼ１８の下方において上下方向に延設されるるつぼ軸１６は設けられない。一方、本実施形態では、ＨＢ等が適用される装置１０において、図８Ｂおよび図８Ｃに示すように、るつぼ１８を水平方向に移動させるるつぼ移動部１７が設けられる。冷却棒４４は、図８Ｂに示すように、その一部または全部がるつぼ移動部１７の外部に設けられていてもよく、図８Ｃに示すように、るつぼ移動部１７の内部に設けられていてもよい。

【0071】

以上のような冷却棒４４を備える第１および第２の実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造装置１０は、特に、酸化雰囲気下で高融点の金属酸化物単結晶を製造する装置１０に好適に適用できる。例えば、真空環境、またはアルゴン等の不活性ガス雰囲気環境においては、２０００℃を超える高温炉を構成することも比較的容易である一方、酸化雰囲気下で高融点を有して安定する材料は限られる。したがって、酸化雰囲気の高温炉では、一例として、炉１４内に炉内管２８を設けて炉１４内の保温性を向上させたり、るつぼ軸１６の上部に支持体１６ａを設けてるつぼ１８を保護したりしている。しかしながら、こうした構成によって炉１４内のるつぼ１８周辺に温度勾配を生じさせ難なり、種子結晶３４の温度制御が難しくなる。これに対して、冷却棒４４によれば、種子結晶３４に結晶育成方向の温度差を確実に生じさせて、種子付けが確実に行えるようになる。このことから、第１および第２の実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造装置１０は、一例として、炉１４内が酸化雰囲気下で１８００℃以上に加熱される酸化ガリウム結晶の製造装置１０等として好適に適用できる。

【0072】

（金属酸化物単結晶の製造方法）
また、本実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造方法は、種子結晶および結晶原料を収容したるつぼを発熱体によって加熱し、前記種子結晶に温度差を生じさせて前記種子結晶の一部を融解させると共に、前記結晶原料を融解させて、融解した前記種子結晶の一部と前記結晶原料とを前記種子結晶側から前記結晶原料側に向かって固化させて結晶化させる金属酸化物単結晶の製造方法において、前記種子結晶に前記温度差を生じさせる際に最も温度が低くなるように設定される種子結晶部位が接触するるつぼ部位に、前記るつぼの外部から冷却棒を当接させてまたは近接させて設けることによって、前記冷却棒により前記るつぼ部位の熱を奪って冷却させることを特徴とする。

【0073】

本実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造方法は、一例として、第１および第２の実施形態に係る金属酸化物単結晶の製造装置１０を使用して金属酸化物単結晶を製造する方法を例示できる。

【実施例0074】

図１Ａに示す基本構成に図４Ａに示す冷却棒４４または図４Ｂに示す冷却棒４４を適用した金属酸化物単結晶の製造装置１０を使用して、酸化雰囲気下の炉１４内にて、酸化ガリウム（β－Ｇａ_２Ｏ_３）結晶を種子結晶３４として収容したるつぼ１８を加熱すると共に、冷却棒４４によりるつぼ１８の下端部１８ｂを冷却して、熱電対２０によりるつぼ１８の所定部位の温度を計測した。以下、図４Ａに示す冷却棒４４（冷却棒４４がるつぼ１８に近接して設けられる構成）を適用した装置１０を、「近接型装置」と表記する場合がある。また、図４Ｂに示す冷却棒４４（冷却棒４４がるつぼ１８に当接して設けられる構成）を適用した装置１０を、「当接型装置」と表記する場合がある。近接型装置におけるるつぼ１８の下端部１８ｂと冷却棒４４の上端部４４ａとの間隔を４ｍｍに設定した。図１０に示すように、るつぼ１８は、大径部４２の断面直径が４インチサイズのものを使用し、β－Ｇａ_２Ｏ_３結晶を種子結晶３４として小径部３８の上端部３８ａまで充填した。また、熱電対２０の測温部を、るつぼ１８の小径部３８の上端部３８ａの高さ位置（測温点１）と、測温点１から約４０ｍｍ下方の高さ位置（測温点２）とに配置した（測温点１と測温点２との間隔Ｌ１は４０ｍｍ）。

【0075】

（実施例１）
るつぼ１８を、小径部３８の上端部３８ａが発熱体３０の発熱部３０ａの先端部にほぼ一致する高さ位置に位置させた状態（図１０に示す状態）で、当該るつぼ１８を加熱すると共に、冷却棒４４によりるつぼ１８の下端部１８ｂを冷却して、熱電対２０により温度を計測した。結果を表１に示す。

【0076】

【表1】

【0077】

表１に示す温度［℃］は、冷却棒４４内の通流路４６に空気を通流させないとき（流量：０．０Ｌ／ｍｉｎ）の測温点２の温度を１．００℃に換算した相対値で示している（以下、表２および表３も同じ）。表１に示すように、冷却棒４４によれば、冷却棒４４内の通流路４６に空気を通流させない状態で（流量：０．０Ｌ／ｍｉｎ）、β－Ｇａ_２Ｏ_３結晶を種子結晶３４として収容した小径部３８の上部（測温点１）と下部（測温点２）との間に、近接型装置で６．４０℃、当接型装置で６．８０℃の温度差を生じさせることができた。これは、実質的に一端閉塞の筒状に構成された中空の冷却棒４４による冷却効果を表している。

【0078】

また、冷却棒４４内の通流路４６に空気を通流させると、近接型装置および当接型装置のいずれにおいても、小径部３８の上部（測温点１）と下部（測温点２）との間の温度差をさらに大きくすることができた。空気の流量を多くした方が温度差は大きくなり、２．０Ｌ／ｍｉｎの流量では、近接型装置で９．２５℃、当接型装置で９．８０℃の大きな温度差を生じさせることができた。冷却棒４４内の通流路４６に空気を通流させると、小径部３８の下部の温度だけでなく上部の温度も所定程度は低下する。しかしながら、上部の温度の低下は抑制的であり、下部の温度を大きく低下させることで、上部と下部との温度差をより大きくすることができた。また、冷却棒４４をるつぼ１８に当接させた装置１０（当接型装置）と近接させた装置１０（近接型装置）とでは、当接型装置の方が温度差は大きくなった。

【0079】

（実施例２）
るつぼ１８を、実施例１の高さ位置から３５ｍｍ上昇させた高さ位置に位置させた状態で、当該るつぼ１８を加熱すると共に、冷却棒４４によりるつぼ１８の下端部１８ｂを冷却して、熱電対２０により温度を計測した。結果を表２に示す。

【0080】

【表2】

【0081】

炉１４内においては、結晶育成部１５ａの上部に向かう程、発熱体３０の発熱範囲となる領域に侵入して上下方向の温度勾配が小さくなる。それに伴って、種子結晶３４の上下方向の温度差も生じさせ難い環境となる。そのため、るつぼ１８の高さ位置を実施例１よりも高くした実施例２では、表２に示すように、β－Ｇａ_２Ｏ_３結晶を種子結晶３４として収容した小径部３８の上部（測温点１）と下部（測温点２）との間の温度差は全体的に実施例１よりも小さくなった。しかしながら、冷却棒４４によれば、冷却棒４４内の通流路４６に空気を通流させない状態で（流量：０．０Ｌ／ｍｉｎ）、近接型装置で４．１５℃、当接型装置で４．００℃の温度差を生じさせることができた。また、冷却棒４４内の通流路４６に空気を通流させると、近接型装置および当接型装置のいずれにおいても、温度差をさらに大きくすることができた。実施例１と同様に、空気の流量を多くした方が温度差は大きくなった。また、実施例１と同様に、冷却棒４４をるつぼ１８に当接させた装置１０（当接型装置）と近接させた装置１０（近接型装置）とでは、空気を通流させた状態で当接型装置の方が温度差は大きくなった。

【0082】

（実施例３）
るつぼ１８を、実施例２の高さ位置からさらに３５ｍｍ上昇させた高さ位置に位置させた状態で、当該るつぼ１８を加熱すると共に、冷却棒４４によりるつぼ１８の下端部１８ｂを冷却して、熱電対２０により温度を計測した。結果を表３に示す。

【0083】

【表3】

【0084】

実施例３では、るつぼ１８の高さ位置が実施例２よりもさらに３５ｍｍ高くなって、種子結晶３４の上下方向の温度差をさらに生じさせ難い環境となる。そのため、実施例３では、表３に示すように、β－Ｇａ_２Ｏ_３結晶を種子結晶３４として収容した小径部３８の上部（測温点１）と下部（測温点２）との間の温度差は全体的に実施例１および実施例２よりも小さくなった。しかしながら、冷却棒４４によれば、冷却棒４４内の通流路４６に空気を通流させない状態で（流量：０．０Ｌ／ｍｉｎ）、近接型装置で２．６５℃、当接型装置で２．４５℃の温度差を生じさせることができた。また、冷却棒４４内の通流路４６に空気を通流させると、当接型装置では１．０Ｌ／ｍｉｎ以上の流量で、近接型装置では２．０Ｌ／ｍｉｎ以上の流量で、温度差をさらに大きくすることができた。また、実施例１および実施例２と同様に、空気の流量を多くした方が温度差は大きくなった。冷却棒４４をるつぼ１８に当接させた装置１０（当接型装置）と近接させた装置１０（近接型装置）とでは、空気を通流させた状態で当接型装置の方が温度差は大きくなった。

【符号の説明】

【0085】

１０ 金属酸化物単結晶の製造装置
１２ 基体
１４ 炉
１６ るつぼ軸
１７ るつぼ移動部
１８ るつぼ
１８ａ 上端部
１８ｂ 下端部
１８ｃ 一端部
１８ｄ 他端部
２０ 熱電対
２２ 吸気管
２４ 排気管
２６ 炉心管
２８ 炉内管
３０ 発熱体
３４ 種子結晶
３６ 結晶原料
４４ 冷却棒
４４ａ 上端部
４４ｂ 下端部
４４ｃ 開口部
４４ｄ 一端部
４４ｅ 他端部
４６ 通流路
４６ａ 往流路
４６ｂ 復流路
４６ｃ 内周路
５２ ガイド部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】