金属氧化物单晶制造装置

1.本发明涉及金属氧化物单晶制造装置。


背景技术：

2.作为金属氧化物单晶制造装置，已知有氧化镓单晶的制造装置(下文中，有时将“金属氧化物单晶制造装置”和“氧化镓单晶的制造装置”简记为“装置”。另外，有时将“氧化镓单晶”简记为“氧化镓晶体”)。
3.在专利文献1(日本特开2017-193466号公报)中记载的氧化镓晶体的制造装置中，将配置在大气气氛的晶体生长炉(以下有时简记为“炉”)内的坩埚利用电阻加热发热体或高频感应加热发热体进行加热，使收纳在坩埚中的氧化镓的原料(晶体原料)熔融，使原料熔液结晶化。作为晶体生长法，可应用vb法(垂直布里奇曼法)、vgf法(垂直温度梯度凝固法)、hb法(水平布里奇曼法)、hgf法(水平温度梯度凝固法)、cz法(直拉单晶法)、efg法等，在使用这些中的任一种方法的情况下，均需要对晶体原料进行加热使其熔融。氧化镓的熔点为约1800[℃]左右(例如，β-ga2o3为约1795[℃])，氧化镓晶体的制造装置中的炉为炉内被加热至1800[℃]以上的高温炉。
[0004]
现有技术文献
[0005]
专利文献
[0006]
专利文献1：日本特开2017-193466号公报


技术实现要素：

[0007]
发明所要解决的课题
[0008]
在使专利文献1所述的氧化镓晶体的制造装置所例示那样的具备氧化气氛(此处是指包含氧气等氧化性气体的气氛，包括氧气气氛和大气气氛)的高温炉(此处是指在约1500[℃]以上进行加热的炉)的金属氧化物单晶制造装置工作而对炉内进行加热的情况下，由于在加热所致的高温条件下发热体所发出的光的作用等，有时会生成炉内的氮与氧结合而成的氮氧化物(nox)、其他有害物质。在假设这样的有害物质扩散到炉的周围(例如配置炉的室内)的情况下，若为氮氧化物，则在炉的周围会产生令人不快的异味，若达到高浓度，则可能对健康带来不良影响。另外，还可能会腐蚀电装部的金属端子等装置部件、使装置不能正常工作，由此降低晶体品质。
[0009]
用于解决课题的手段
[0010]
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种金属氧化物单晶制造装置，其能够防止在氧化气氛的高温炉内生成的以氮氧化物为例的有害物质向炉周围的扩散。
[0011]
本发明通过以下作为一个实施方式所记载的解决手段来解决上述课题。
[0012]
本发明的金属氧化物单晶制造装置是在氧化气氛下以1500℃以上的温度将炉内加热的金属氧化物单晶制造装置，其特征在于，该制造装置具备：发热体，对炉内进行加热；吸气管，设置在上述炉中的下部侧，将上述炉的内外连通；排气管，设置在上述炉中的上部
侧，将上述炉的内外连通；管道，设置在比上述炉靠上方的位置；以及排气扇和有害物质除去装置，设置在上述管道的中途。
[0013]
由此，能够使排气扇工作而将从炉内流出的气体主动地吸入到管道内，利用有害物质除去装置除去所含有的有害物质，之后排出到规定的场所。因此，能够防止在炉内生成的有害物质向炉周围的扩散。
[0014]
另外，优选上述排气管的上端部与上述管道的下端部分离且相向地设置。由此，能够将从排气管中排出的炉内的气体导向并吸入到排出方向与轴一致地开口的管道内。因此，从炉内流出的气体大部分能够没有泄漏地流入到管道内而被除去。
[0015]
另外，优选进一步具备包围上述炉的上方和侧方的包围部，上述管道的下端部连结于设置在上述包围部的上部的开口部。由此，通过包围炉的侧方，能够防止从炉中所形成的间隙等除排气管以外的部位向炉外流出的气体向周围的扩散。另外，通过包围炉的上方，能够更可靠地防止从排气管排出的炉内气体的扩散。
[0016]
另外，可以使上述发热体为电阻加热发热体或利用高频感应加热的发热体。
[0017]
可以使上述炉为垂直布里奇曼炉。
[0018]
可以使上述金属氧化物为氧化镓。
[0019]
发明的效果
[0020]
根据本发明，能够防止在氧化气氛的高温炉内生成的有害物质向炉周围的扩散。
附图说明
[0021]
图1是示出本发明的实施方式的金属氧化物单晶制造装置的示例的示意图(垂直截面图)。
[0022]
图2a、图2b是试验1的氧化镓晶体的制造装置的照片。
[0023]
图3a、图3b是示出试验2的结果的btb溶液的照片。
具体实施方式
[0024]
以下参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。本实施方式的金属氧化物单晶制造装置是在氧化气氛下以1500[℃]以上的温度将炉内加热的金属氧化物单晶制造装置。关于此处所说的“以1500[℃]以上的温度将炉内加热”这一条件，不必使炉内整体达到1500[℃]以上，只要在炉内的任一处形成了达到1500[℃]以上的温度区域即可(关于本文中的同样的表达也是相同的)。例如，垂直布里奇曼法是在炉内形成垂直的温度梯度、使原料熔液沿垂直方向结晶化的方法，晶体生长炉中的炉内的温度分布有时不均一。
[0025]
图1是示出本实施方式的金属氧化物单晶制造装置10的示例的示意图(垂直截面图)，具体地说，示出了氧化镓晶体的制造装置10。下文中，作为金属氧化物单晶制造装置10，以该氧化镓晶体的制造装置10为例进行说明。
[0026]
图1所示的氧化镓晶体的制造装置10具备将内部加热而使氧化镓晶体生长的炉14(应用垂直布里奇曼法的垂直布里奇曼炉)、以及内置有对炉14的工作进行控制的控制部(未图示)的电装部11。炉14被设置在基体12上，通过使环部件14a沿铅直方向层积为多层并构成筒状而在内部形成有炉空间15，该环部件14a是将由耐热材料构成的多个分割片(未图示)接合而形成为具有所需高度的环状而成的。在炉空间15的底面形成有沿着炉14的中心
轴凹陷的凹部15a。下文中，为了易于理解，将“炉14内”适当记为“炉空间15”，炉14内与炉空间15表示相同的区域。
[0027]
另外，设置有坩埚支承轴16，该坩埚支承轴16沿着炉14的中心轴贯通基体12，并且经过凹部15a沿上下方向延伸设置至炉空间15的中央高度附近。坩埚支承轴16以如下方式构成：可通过驱动机构(未图示)而上下运动(参照箭头a)且可绕轴旋转(参照箭头b)。
[0028]
另外，在坩埚支承轴16的上端设置有支承坩埚22的衬套20，在衬套20上配置坩埚22。在坩埚支承轴16和衬套20的内部配设有热电偶18，能够测量坩埚22的温度。作为氧化镓(β-ga2o3)晶体生长用坩埚22，可以适当地使用rh含量为10[wt％]～30[wt％](更优选为10[wt％]～20[wt％])的pt-rh合金、ir含量为20[wt％]～30[wt％]的pt-ir合金等pt系合金制的坩埚22。
[0029]
需要说明的是，从凹部15a的底面到中央高度附近，坩埚支承轴16的周围被由耐热材料构成的环部件14a包围，形成了炉14的下部绝热的构成。在炉14的内外取放坩埚22时，从下方卸下设置在凹部15a的环部件14a，将坩埚22连同坩埚支承轴16一起从凹部15a的底部取放即可。
[0030]
另外，设置有吸气管24，该吸气管24贯通基体12并开口于凹部15a，将炉14的内外连通。另外，设置有排气管26，该排气管26沿着炉14的中心轴贯通炉14的上部，将炉14的内外连通。由此，形成炉14内为大气气氛的构成，在炉14内的加热中，例如可以通过调整来自吸气管24的大气流入量等来调整炉14内的气氛(例如氧浓度)。另外，可以由吸气管24主动地导入特定种类的气体(例如氧气)，将炉14内调整为规定的气氛(例如氧气气氛)。需要说明的是，吸气管24设置在炉14中的下部侧、排气管26设置在炉14中的上部侧即可，吸气管24和排气管26的位置没有限定。
[0031]
另外，在炉空间15中设置有包围坩埚22和坩埚支承轴16的炉心管28、以及包围炉心管28的炉内管30，在炉心管28与炉内管30之间设置有发热体34。
[0032]
炉心管28从凹部15a的底面延伸设置到炉空间15的最上表面，并且在上部设置有顶板28a，包围坩埚22和坩埚支承轴16的侧方和上方(其中，排气管26的下端贯通顶板28a，开口于炉14内(炉心管28内))。利用炉心管28，能够将坩埚22与发热体34隔开。因此，即使在由于高温而使发热体34的一部分等熔解的情况下，也能够防止该熔解物混入坩埚22中(氧化镓晶体中)。
[0033]
另外，炉内管30从炉空间15的底面延伸设置到最上表面，将炉心管28的从中央高度附近到上部的侧方包围。在炉空间15的底面设置有环状的支承部件32，支承炉内管30。利用炉内管30，将发热体34与构成炉空间15的外壁的环部件14a之间隔断，能够防止高温所致的环部件14a的烧结、变形、龟裂。另外，将发热体34的热向炉心管28侧反射，能够对炉空间15进行加热，能够无浪费地利用热。炉心管28和炉内管30也与环部件14a同样地由耐热材料构成。
[0034]
另外，发热体34是通过通电而发热的电阻加热发热体，如图1所示，前端侧的发热部34a在炉14内沿铅直方向延伸设置，并且基部侧的导电部34b向水平方向弯曲，贯通炉14的侧部，在炉14外与外部电源(未图示)连接。但是，也可以为导电部34b不弯曲而直接沿铅直方向延伸设置并贯通炉14的上部的构成(未图示)。另外，发热体34按照在位于炉14的中心轴上的坩埚22的周围隔着炉心管28围成圆形的方式配设有多个(图1中示出了2个，但发
热体34的个数并无限定)。通过以上的构成，在炉14内，在坩埚22周边能够形成上部侧的温度高、下部侧的温度低的垂直方向的温度梯度。作为氧化镓(β-ga2o3)晶体生长用电阻加热发热体，可以适当地使用前端形成为u字形的由mosi2构成的发热体34。
[0035]
另一方面，也可以使发热体34为利用高频感应的发热体。这种情况下，可以在炉14的外周设置高频线圈，并且在炉空间15中按照包围坩埚22的周围的方式设置上部被密闭的圆筒状的发热体。作为氧化镓(β-ga2o3)晶体生长用的利用高频感应的发热体，可以适当地使用rh含量为10[wt％]～30[wt％]的pt-rh合金等pt系合金制的在整面上施有氧化锆涂层的发热体(利用高频感应的发热体的构成均未图示)。
[0036]
作为一例，具备上述构成的氧化镓晶体的制造装置10可以如下所述应用垂直布里奇曼法来制造氧化镓(例如β-ga2o3)晶体。首先，在坩埚22的底部收纳晶种，在该晶种上收纳氧化镓原料(晶体原料)。接着，将该坩埚22载置在坩埚支承轴16(衬套20)上，利用发热体34以约1800[℃]将炉14内(坩埚22)加热，使晶体原料熔解。并且，在炉14内的坩埚22周边形成上侧的温度高、下侧的温度低这样的垂直方向的温度梯度，藉由坩埚支承轴16使坩埚22下降。由此，利用原料熔液冷却引起的固化现象，能够以晶种为起点使该原料熔液从下侧起进行晶体成长。
[0037]
接着，对本实施方式中特征性的防止在炉14内生成的包含有害物质的气体扩散的相关机构进行说明。此处所说的“有害物质”是指在氧化气氛的高温炉中生成的例如具有令人不快的异味或金属腐蚀性并对环境、人体、装置10或晶体品质中的任一者带来不良影响的物质，具体地说，可以例示氮氧化物(nox)等。
[0038]
首先，本实施方式的氧化镓晶体的制造装置10在比炉14靠上方的位置具备管道36。由此，能够使从炉14内流出的气体在管道36内流通并排出到规定的场所。
[0039]
另外，在管道36的中途具备排气扇38和有害物质除去装置40。由此，能够使排气扇38工作而将从炉14内流出的气体主动地吸入到管道36内，利用有害物质除去装置40除去所含有的有害物质，之后排出到规定的场所。因此，能够防止在炉14内生成的有害物质向炉14周围的扩散。
[0040]
图1中，在管道36中的上游侧配设了排气扇38、在下游侧配设了有害物质除去装置40，但也可以反过来在上游侧配设有害物质除去装置40、在下游侧配设排气扇38。另外，排气扇38和有害物质除去装置40也可以分别配设多个。
[0041]
另外，作为排气扇38没有特别限定，使用具有排气功能的公知的风扇即可，作为一例，可以举出复叶扇、斜流扇、涡流扇等。
[0042]
另外，作为有害物质除去装置40没有特别限定，根据有害物质的种类使用具有除去各物质的功能的公知装置即可。此处，作为有害物质的除去方法，通常已知有捕捉或吸收有害物质的方法、稀释而无害化的方法、化学分解或变化成无害物质的方法等。更具体地说，例如，作为氮氧化物(nox)的除去方法，已知有干式法和湿式法。作为干式法的示例，已知有向氮氧化物(nox)中加入氨等还原性气体、通过催化剂作用还原至氮(n2)的方法。作为湿式法的示例，已知有将氮氧化物(nox)通入到碱或酸的水溶液中来吸收的方法。作为有害物质除去装置40，适当地使用具有通过这样的方法除去有害物质的功能的各种装置即可。
[0043]
另外，管道36的下端部36a与炉14中的排气管26的上端部26a分离且相向地设置。由此，能够将从排气管26排出的炉14内的气体导向并吸入到排出方向与轴一致地开口的管
道36内。因此，从炉14内流出的气体大部分能够没有泄漏地流入到管道36内而被除去。
[0044]
另一方面，管道36与排气管26直接连接的构成能够使炉14内的气体更可靠地流入到管道36内。但是，该构成的情况下，难以进行炉14内的气氛调整(例如气体的种类、浓度、流量等的调整)。另外，由于排气扇38的作用，从吸气管24流入到炉14内的气体量增加，炉14内的温度调整(例如温度梯度的形成)也难以进行。其结果可能使晶体品质降低。
[0045]
与之相对，根据本实施方式，通过使管道36的下端部36a与排气管26的上端部26a相向，能够使管道36与排气管26虽然分离、但从排气管26排出的炉14内的气体仍可在不发生扩散的情况下流入到管道36内。此外，也不会对炉14内的气氛和温度分布带来不良影响，并且还能够进行炉14内的气氛和温度分布的控制，因此也不会降低晶体品质。
[0046]
此处，在炉空间15中，发热体34的周边区域的温度最高，因此被认为是容易生成有害物质的区域。另一方面，如图1所示，排气管26所开口的炉空间15与配设有发热体34的炉空间15被炉心管28隔开，因此形成了发热体34的周边区域的气体不易经由排气管26排出的构成。
[0047]
与之相对，本实施方式中，进一步具备包围炉14的上方和侧方的包围部42，管道36的下端部36a连结于设置在包围部42的上部的开口部42a。由此，通过包围炉14的侧方，能够防止从炉14中所形成的间隙(例如，在发热体34(电阻加热发热体)的导电部34b贯通炉14并与炉14外的外部电源连接的情况下，为导电部34b与构成炉14的耐热材料的间隙)等除排气管26以外的部位向炉14外流出的气体向周围的扩散。这样的气体主要是难以经由上述排气管26排出的、发热体34的周边区域的气体，利用包围部42，能够防止该气体中包含的有害物质的扩散。另外，通过包围炉14的上方，能够更可靠地防止从排气管26排出的炉14内的气体的扩散。
[0048]
需要说明的是，也可以使包围部42为除了炉14的上方和侧方以外还包围炉14的下方的构成。由此，能够更可靠地防止从炉14中所形成的间隙等除排气管26以外的部位向炉14外流出的气体向周围的扩散。
[0049]
另外，包围部42使用金属或具有气体阻隔性的合成树脂等气体阻隔性材料形成为板体或片体即可。可以由气体阻隔性材料形成整体，或者也可以利用气体阻隔性材料在除此以外的材料上涂布而形成气体阻隔层。
[0050]
[实施例]
[0051]
(试验1)
[0052]
在本实施方式的氧化镓晶体的制造装置10(垂直布里奇曼炉)中，进行β-ga2o3晶体的生长，对生长中的炉14的上方和周围的气体环境进行测定。图2a、图2b中示出该氧化镓晶体的制造装置10的照片(图2a为正面的照片、图2b为上部的照片)。
[0053]
关于晶体生长，使发热体34为电阻加热发热体，将炉14内的气氛适当调整为适合于在氧化气氛下生长β-ga2o3晶体的气氛。
[0054]
关于炉14内的气体的排气，如图2a、图2b所示，使包围部42为钢制的板体且为仅包围炉14的侧方的构成。
[0055]
关于测定方法，采集规定地点的气体，利用测定器对各种有害物质的浓度进行测定。
[0056]
气体采集时的温度条件为室温：26.15[℃]、发热体温度：1816.70[℃]、1817.85
[℃](对多个配设的发热体34中的2个进行测定)、炉内温度：1783.55℃[℃]、1779.55[℃](对坩埚22中的2个部位进行测定)。
[0057]
关于气体的采集点(测定点)，如图2a、图2b中的圆圈所示，为“炉14的上表面上的未配设排气管26的位置”(测定点1)、以及“与炉14相邻设置的电装部11的上表面上的位置”(测定点2)这2个位置。
[0058]
测定器使用gastec制造的气体采集器套装gv-100s(商品名)。将结果示于表1。
[0059]
[表1]
[0060]
测定项目(有害物质)测定点1测定点2二氧化氮(no2)2ppm－硫化氢(h2s)－－氯化氢(hcl)－－硝酸(hno3)－－氟化氢(hf)－－过氧化氢(h2o2)－－
[0061]
－：未检出
[0062]
从炉14的上方(测定点1)检出了二氧化氮(no2)为2[ppm]，但其他有害物质均未检出。由此表明，在氧化气氛下，从以约1800[℃](β-ga2o3的熔点为约1795[℃])的高温被加热的炉14中至少生成了作为有害物质的二氧化氮(no2)。
[0063]
但是，所检出的浓度为2[ppm]这样的极微量，因此表明，利用本实施方式的排气机构(特别是管道36和排气扇38)除去了大部分的二氧化氮。
[0064]
另一方面，以二氧化氮(no2)为代表的各种有害物质均未从炉14的周围(测定点2)被检出。由此表明，可靠地防止了在炉14内生成的包含有害物质的气体向炉14周围的扩散。
[0065]
(试验2)
[0066]
对于不具有本实施方式的排气机构(管道36、排气扇38、有害物质除去装置40和包围部42)的现有的氧化镓晶体制造装置(垂直布里奇曼炉)中的运转炉和未运转炉的周围的气体环境进行了调查。
[0067]
本试验中，在与试验1的测定点2相同的位置、即“与炉14相邻设置的电装部11的上表面上的位置”载置加入了btb(溴百里酚蓝)溶液的苯乙烯容器。
[0068]
在“运转炉”中，在载置后与试验1同样地进行β-ga2o3晶体的生长。另一方面，在“未运转炉”中，在不使装置运转的状态下原样放置。
[0069]
之后，通过目视确认各自载置后48小时后的btb溶液的颜色变化。需要说明的是，载置时的btb溶液为表示中性的绿色。
[0070]
将结果的照片示于图3a、图3b(其中，在试验中，苯乙烯容器的盖是打开的)。图3a为“未运转炉”、图3b为“运转炉”。
[0071]
如图3a、图3b所示，在“未运转炉”中，btb溶液没有颜色变化，仍为绿色(中性)的状态，与之相对，在“运转炉”中，btb溶液变化成黄色，表示酸性。由此表明，通过与晶体生长相伴的炉的高温加热生成了氧化性气体。并且表明，在不具备本实施方式的排气机构(管道36、排气扇38、有害物质除去装置40和包围部42)的现有装置中，该氧化性气体扩散到炉的周围，使btb溶液变化为酸性。需要说明的是，若将试验1的结果也考虑在内，则本试验的“运
转炉”中所生成的氧化性气体可推测为以二氧化氮(no2)为例的氮氧化物(nox)。