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JP-2026076496-A - 単結晶成長装置及び単結晶成長方法

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Abstract

【課題】対象物体の温度勾配を好適に維持することができる。 【解決手段】誘導加熱による単結晶成長方法において使用される単結晶成長装置であって、真空管を備える高周波発振器と、前記高周波発振器から印可される高周波電流によって対象物体を誘導加熱する誘導加熱コイルと、前記高周波発振器の出力に関する信号を測定する測定部と、前記出力に関する信号に基づいて、前記高周波発振器が備えるインバータ回路内のグリッドコイル又はアノードコイルのインダクタンスの調整に関する制御信号を出力する制御部と、前記制御部から出力される前記制御信号に従って、前記インダクタンスを調整する調整部と、を備える。 【選択図】図１

Inventors

  • 富田 健稔
  • ウラジミール カチューリヒン

Assignees

  • 株式会社C&A

Dates

Publication Date
20260512
Application Date
20241024

Claims (16)

  1. 誘導加熱による単結晶成長方法において使用される単結晶成長装置であって、 真空管を備える高周波発振器と、 前記高周波発振器から印可される高周波電流によって対象物体を誘導加熱する誘導加熱コイルと、 前記高周波発振器の出力に関する信号を測定する測定部と、 前記出力に関する信号に基づいて、前記高周波発振器が備えるインバータ回路内のグリッドコイル又はアノードコイルのインダクタンスの調整に関する制御信号を出力する制御部と、 前記制御部から出力される前記制御信号に従って、前記インダクタンスを調整する調整部と、 を備える単結晶成長装置。
  2. 前記調整部は、前記グリッドコイル又は前記アノードコイルを伸縮させることにより前記インダクタンスを調整する調整機構を備える、 請求項１に記載の単結晶成長装置。
  3. 前記制御部は、前記出力に関する信号を受け取り、前記出力に関する信号の値が変動した場合に前記調整部に対して前記制御信号を出力し、 前記調整部は、前記制御信号に従って、前記グリッドコイル及び前記アノードコイルに電流が流れている状態で前記グリッドコイル又は前記アノードコイルを伸縮させる、 請求項２に記載の単結晶成長装置。
  4. 前記調整部は、前記グリッドコイルを伸縮させる、 請求項２に記載の単結晶成長装置。
  5. 前記出力に関する値とは、前記真空管のグリッドから流れるグリッド電流の値である、 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の単結晶成長装置。
  6. 前記単結晶成長方法は、対象物体の周囲に配置される冷却バスケットと、対象物を直接加熱溶融する誘導加熱コイルからなるスカルメルト法である、 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の単結晶成長装置。
  7. 前記誘導加熱コイルにより誘導加熱された融液と単結晶とを相対移動させることにより単結晶を成長させるものである、 請求項６に記載の単結晶成長装置。
  8. 前記対象物体と、前記誘導加熱コイルとの相対的な位置を変化させる駆動部を、 さらに備え、 前記誘導加熱コイルは、前記対象物体の一部を加熱し、前記対象物体を徐々に溶融する、 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の単結晶成長装置。
  9. 誘導加熱による単結晶成長方法であって、 真空管を備える高周波発振器と、前記高周波発振器から印可される高周波電流によって対象物体を誘導加熱する誘導加熱コイルと、前記高周波発振器が備えるインバータ回路内のグリッドコイル又はアノードコイルのインダクタンスを調整する調整部とを備える単結晶成長装置から、前記高周波発振器の出力に関する信号を測定する測定工程と、 前記出力に関する信号に基づいて、前記高周波発振器が備えるインバータ回路内の前記グリッドコイル又は前記アノードコイルのインダクタンスを調整する調整工程と、 を有する単結晶成長方法。
  10. 前記調整工程においては、前記グリッドコイル又は前記アノードコイルを伸縮させることにより前記インダクタンスを調整する調整機構を駆動させる、 請求項９に記載の単結晶成長方法。
  11. 前記調整工程においては、前記出力に関する信号の値が変動した場合に、前記グリッドコイル及び前記アノードコイルに電流が流れている状態で前記グリッドコイル又は前記アノードコイルを伸縮させる、 請求項１０に記載の単結晶成長方法。
  12. 前記調整工程においては、前記グリッドコイルを伸縮させる、 請求項１０に記載の単結晶成長方法。
  13. 前記出力に関する値とは、前記真空管のグリッドから流れるグリッド電流の値である、 請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の単結晶成長方法。
  14. 前記単結晶成長方法は、対象物体の周囲に配置される冷却バスケットと、対象物を直接加熱溶融する誘導加熱コイルからなるスカルメルト法である、 請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の単結晶成長方法。
  15. 前記誘導加熱コイルにより誘導加熱された融液と単結晶とを相対移動させることにより単結晶を成長させるものである、 請求項１４に記載の単結晶成長方法。
  16. 前記対象物体と、前記誘導加熱コイルとの相対的な位置を変化させる駆動工程を、 さらに有し、 前記駆動工程においては、前記誘導加熱コイルによって、前記対象物体の一部を加熱し、前記対象物体を徐々に溶融する、 請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の単結晶成長方法。

Description

本発明は、単結晶成長装置及び単結晶成長方法に関する。 次世代デジタルインフラの構築に向けて、家電製品、電気自動車、産業用機械、及び再生可能エネルギー等に挙げられる電力変換を行うパワーデバイスの省エネルギー化が求められている。従来、シリコンを用いたパワーデバイスが主流となっているが、シリコンと比べてエネルギー変換ロスが小さいパワー半導体材料が求められている。このような材料として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム等の研究開発が行われている。中でも、酸化ガリウムはバリガ性能指数が高いため抵抗ロスが少なく、エネルギーバンドギャップが大きいため耐圧性も高いことから次世代パワー半導体材料として注目されている。さらに、酸化ガリウム、特にβ-Ｇａ２Ｏ３は、炭化ケイ素や窒化ガリウムと比較して低温で溶融するため、融液からの単結晶成長も可能であることから、低コスト化が期待される。このようなことから、酸化ガリウムは、高融点化合物の単結晶成長技術の観点からも基盤技術として期待されている。 古くから誘導コイルにより結晶成長させる母材に電磁界を直接かけることによって単結晶成長を行うスカル（ｓｋｕｌｌ）メルト法の研究、開発が行われてきた。例えば、特許文献１には、は酸化ガリウムの冷ルツボとそれを用いたスカルメルト法による酸化ガリウムの単結晶の製造方法が開示されている。 特開２０１７－６１３９６号公報 実施形態に係る単結晶成長装置の構成の一例を示すブロック図である。実施形態に係る高周波発振器及びＲＬＣ回路の回路構成の一例を説明するための図である。高周波発振器の各部を流れる電流波形の一例を示す図である。コイルを伸縮させる手法の一例を説明するための図である。コイルの伸縮の程度と、コイルのパラメータとの関係を説明するための図である。実施形態に係る単結晶成長装置のインダクタンス調整の流れの一例を説明するためのフローチャートである。単結晶成長方法の第１の例を説明するための図である。単結晶成長方法の第２の例に係る単結晶成長装置の構成の一例を示すブロック図である。単化粧成長方法の第２の例を説明するための図である。 本実施形態に係る単結晶成長装置及び単結晶成長方法について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。なお、本実施形態は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、多様な変更又は改良を加えたものも含まれる。つまり、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれ、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更がされていてもよい。 ［単結晶成長装置の概要］ 図１は、実施形態に係る単結晶成長装置１の構成の一例を示すブロック図である。図１を参照しながら、単結晶成長装置１が備える各機能部の概要を説明する。単結晶成長装置１は、高周波発振器１０と、ＲＬＣ回路２０と、測定部３０と、制御部４０と、調整部５０と、駆動部６０とを備える。単結晶成長装置１は、対象物体Ｏを誘導加熱することにより溶融し、融液から単結晶を成長させる単結晶成長方法に使用される。 制御部４０、調整部５０、及び駆動部６０は、例えば、中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）やメモリを備えるコンピュータ及びソフトウェアを用いて実現される。また，制御部４０、調整部５０、及び駆動部６０は、必要に応じて電子回路を用いて実現されてもよい。さらに、制御部４０、調整部５０、及び駆動部６０は、単一の装置に含まれるものでなくてもよく、複数の装置から単結晶成長装置１を構成するような様態であってもよい。 対象物体Ｏは、例えば、原料を円柱状に成型したものである。対象物体Ｏの原料は、高融点化合物であり、例えば、高融点酸化物であり、酸化ガリウム（β―Ｇａ２Ｏ３）、ガドリニウムアルミニウムガリウムガーネット（Ｇｄ３（Ａｌ、Ｇａ）５Ｏ１２）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）等である。高融点酸化物には、上記以外にも、種々の元素を含有した高融点酸化物が含まれてよい。 酸化物は比抵抗の値が大きいため、原料が酸化物である場合の加熱には高い周波数を印加することを要する。単結晶成長装置１は、数百［ｋＨｚ］～１０［ＭＨｚ］オーダーの周波数を出力可能であるため、酸化物原料の加熱が可能である。また、高い周波数を出力できるため、原料体内部の融液の直径を大きくすることができ、結晶の直径を大径化することができる。さらに、高周波発振器１０は、周波数の調整が可能であるため、種結晶付近における融液の温度をその融点近傍の温度とすることができ、結晶成長を進行させることができる。 高周波発振器１０は、真空管式の発振器である。高周波発振器１０は、誘導加熱コイルＬｃｏｉｌに対して高周波電流を出力する。真空管式を採用した高周波発振器１０は、周波数変動に自動的に追随する調整が入る自励式であるため、細かな周波数変動に自動的に対応可能である。また、高周波発振器１０は、共振店に近づく変動により発生する過電流によって破損する恐れがあるというトランジスタ式の発振器の課題に対応可能である。 ＲＬＣ回路２０は、コイル、コンデンサ、及び、抵抗が電気的に接続された回路である。ＲＬＣ回路２０は、ＲＬＣ直列回路であってもよいし、ＲＬＣ並列回路であってもよい。ＲＬＣ回路２０は、ＲＬＣ回路におけるコイルとして誘導加熱コイルＬｃｏｉｌを備える。 誘導加熱コイルＬｃｏｉｌの周囲には、高周波発振器１０から印可された高周波電流によって、磁界が発生する。誘導加熱コイルＬｃｏｉｌの内側にある対象物体Ｏには、導電性の材料が含まれているため、当該導電性の材料から誘導加熱が開始する。対象物体Ｏには、高周波電流の変化に応じて変化する磁界の変化を妨げる方向に渦電流が流れる。対象物体Ｏの電気抵抗によりジュール熱が発生することにより、対象物体Ｏは加熱される。 対象物体Ｏは、固体の場合における性質と、溶融した場合（液体）における性質とが異なる。そのため、固体である対象物体Ｏと、液体である対象物体Ｏとの割合等によって、対象物体Ｏを誘導加熱するのに適した周波数の値が変動する。 ［高周波発振器の構成］ 図２は、実施形態に係る高周波発振器１０及びＲＬＣ回路２０の回路構成の一例を説明するための図である。高周波発振器１０は、３相交流電源１１と、整流回路１２と、真空管１３と、インバータ回路１４と、平滑キャパシタＣｉｎと、カソード抵抗Ｒｃａｔｈｏｄｅと、カソードキャパシタＣｃａｔｈｏｄｅと、を備える。 ３相交流電源１１は、３相電力を出力する交流電源である。３相交流電源１１は、例えば、０［Ｖ］から１０［ｋＶ］の間の電圧であって、単結晶成長装置１の設計者や使用者等の設定に応じた大きさの電圧を出力する。 整流回路１２は、３相交流電源１１から出力された３相電力を整流する回路である。例えば、図２に示す整流回路１２は、３相交流電源１１から出力される各相それぞれについて、３相交流電源１１の各相と、整流回路１２とが接続される位置の低電位側及び高電位側にダイオードを備えるという構成を採用している。整流回路１２が備える各ダイオードは、高電位側がカソードとなり、低電位側がアノードとなるように配置される。 整流回路１２の低電位側は、基準電圧に接続される。基準電圧は、例えば、０［Ｖ］であってもよいし、０［Ｖ］に近い小さな電圧であってもよいし、単結晶成長装置１の設計等者が設定する任意の電圧でもよい。また、整流回路１２の低電位側は、第１点Ｐ１に接続される。すなわち、第１点Ｐ１の電圧値は、基準電圧と同一である。整流回路１２の高電位側は、第２点Ｐ２に接続される。 平滑キャパシタＣｉｎは、一端が整流回路１２の高電位側及び第２点Ｐ２と接続され、他端が整流回路１２の低電位側及び第１点Ｐ１と接続される。すなわち、平滑キャパシタＣｉｎは、整流回路１２と並列接続される。平滑キャパシタＣｉｎは、充放電を行うことにより、整流回路１２によって整流された直流電圧を平滑化し、脈流を滑らかにする。以下の説明において、第１点Ｐ１と第２点Ｐ２の２点間にかかる電圧を、入力電圧Ｖｉｎと称する場合がある。 真空管１３は、例えば、直熱陰極型３極管である。真空管１３のプレートは、プレートコイルＬｐｌｅｔｅ及びインバータ回路１４が備えるカップリングキャパシタＣＣｏｕｐｌｉｎｇに接続される。以下の説明において、真空管１３のプレートは、アノードと称されてもよい。プレートコイルＬｐｌｅｔｅは、一端が第２点Ｐ２に接続され、他端が真空管１３のプレート及びカップリングキャパシタＣＣｏｕｐｌｉｎｇに接続される。 真空管１３のグリッドは、インバータ回路１４が備えるグリッドコイルＬＧｒｉｄ及びインバータ回路１４が備える第１グリッドキャパシタＣＧｒｉｄ１に接続される。 真空管１３のカソードは、一端がカソード抵抗Ｒｃａｔｈｏｄｅ及びカソードキャパシタＣｃａｔｈｏｄｅに接続され、他端が基準電圧に接続される。カソード抵抗Ｒｃａｔｈｏｄｅ及びカソードキャパシタＣｃａｔｈｏｄｅは、互いに並列接続される。カソード抵抗Ｒｃａｔｈｏｄｅの及びカソードキャパシタＣｃａｔｈｏｄｅは、一端が真空管１３のカソードに接続され、他端が基準電圧に接続される。以下の説明において、真空管１３のカソードから、プレートに流れる電流を、プレート電流Ｉｐと称する場合がある。 インバータ回路１４は、高周波電圧を発生する。インバータ回路１４が発生する高周波電圧により、ＲＬＣ回路２０は駆動する。ＲＬＣ回路２０、ひいては、誘導加熱コイルＬｃｏｉｌに高周波電流が流れることにより、対象物体Ｏは誘導加熱される。 インバータ回路１４は、カップリングキャパシタＣＣｏｕｐｌｉｎｇと、アノードコイルＬＡｎｏｄｅと、グリッドコイルＬＧｒｉｄと、グリッド抵抗ＲＧｒｉｄと、第１グリッドキャパシタＣＧｒｉｄ１と、第２グリッドキャパシタＣＧｒｉｄ２と、を備える。 グリッドコイルＬＧｒｉｄと、グリッド抵抗ＲＧｒｉｄと、第１グリッドキャパシタＣＧｒｉｄ１と、第２グリッドキャパシタＣＧｒｉｄ２は、真空管１３のグリッドと電気的に接続される。第１グリッドキャパシタＣＧｒｉｄ１は、一端が真空管１３のグリッド及びグリッドコイルＬＧｒｉｄに接続され、他端が基準電圧に接続される。グリッドコイルＬＧｒｉｄは、一端が真空管１３のグリッド及び第１グリッドキャパシタＣＧｒｉｄ１に接続され、他端が第２グリッドキャパシタＣＧｒｉｄ２及びグリッド抵抗ＲＧｒｉｄに接続される。第２グリッドキャパシタＣＧｒｉｄ２は、一端がグリッドコイルＬＧｒｉｄ及びグリッド抵抗ＲＧｒｉｄに接続され、他端が基準電圧に接続される。グリッド抵抗ＲＧｒｉｄは、一端がグリッドコイルＬＧｒｉｄ及び第２グリッドキャパシタＣＧｒｉｄ２に接続され、他端が基準電圧に接続される。すなわち、第２グリッドキャパシタＣＧｒｉｄ２及びグリッド抵抗ＲＧｒｉｄは、並列接続される。グリッド抵抗ＲＧｒｉｄの低電位側は、第３点Ｐ３に接続される。すなわち、第３点Ｐ３の電圧値は、基準電圧と同一である。第３点Ｐ３とは、インバータ回路１４とＲＬＣ回路２０とを電気的に接続する点のうち、低電位側の点である。 カップリングキャパシタＣＣｏｕｐｌｉｎｇと、アノードコイルＬＡｎｏｄｅは、真空管１３のプレートと電気的に接続される。カップリングキャパシタＣＣｏｕｐｌｉｎｇは、一端がプレートコイルＬｐｌｅｔｅ及び真空管１３のプレートに接続され、他端がアノードコイルＬＡｎｏｄｅと接続される。アノードコイルＬＡｎｏｄｅは、一端がカップリングキャパシタＣＣｏｕｐｌｉｎｇと接