DE69802581T2

DE69802581T2 - Verfahren zur Züchtung von Einkristallen

Info

Publication number: DE69802581T2
Application number: DE69802581T
Authority: DE
Inventors: Takashi Fujii; Masakatsu Okada; Takenori Sekijima; Kikuo Wakino
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2018-03-11
Also published as: JPH10251088A; EP0864669B1; KR19980080180A; EP0864669A3; EP0864669A2; DE69802581D1; KR100262388B1; CN1139678C; US6039802A; JP3237564B2; CN1197853A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Züchtung von Einkristallen und insbesondere auf ein Verfahren zur Züchtung von Einkristallen zum Einsatz in einem optischen Isolator, einem Hochtemperatur-Supraleitkabel oder ähnlichem.
Magnetgranat-Einkristalle, welche Eisen enthalten, die hier beispielhaft durch Yttrium-Eisen-Granat-Einkristall (Y&sub3;Fe&sub5;O&sub1;&sub2;: im folgenden abgekürzt als "YIG") dargestellt werden und einen starken Faradeischen Effekt aufweisen, wurden als Material für optische Isolatoren verwendet.
Des weiteren wurden Oxyd-Supraleiter, die hier beispielhaft durch Yttrium-Barium-Kupferoxyd (Yba&sub2;Cu&sub3;Ox: im folgenden abgekürzt als "YBCO") dargestellt werden und für die preiswerter flüssiger Stickstoff als Kühlmittel verwendet werden kann, typischerweise als Material für supraleitende Kabel verwendet.
Diese Verbindungen sind als inkongruente Schmelzverbindungen bekannt, und Einkristalle können nicht direkt ausgehend von einem Rohmaterial erhalten werden, das eine inkongruente Schmelzzusammensetzung aufweist. Deshalb wurde allgemein ein Verfahren für das Züchten von Einkristallen unter Verwendung eines Flusses mit einer besonderen Zusammensetzung verwendet.
Genauer gesagt und wie in Fig. 1 gezeigt, ist YIG eine inkongruente schmelzende Verbindung und wird bei ca. 1585ºC zerlegt, wenn ihre Temperatur erhöht wird. Jedoch kann YIG selbst dann nicht erhalten werden, wenn eine Schmelze mit einer stöchiometrischen Zusammensetzung erstarrt und in Orthoferrit (YfeO&sub3;) und eine flüssige Phase zerlegt wird. Demzufolge wurde ein Verfahren für das Züchten von YIG- Einkristallen mittels eines Flußverfahrens oder eines LPE(Flüssigphasenepitaxis)-Verfahren angewandt, bei dem ein Lösungsmittel vorbereitet wird, in dem Bleioxyd (PbO) und Diborantrioxyd (B&sub2;O&sub3;) in einem aus Pt bestehenden Schmelztiegel sowie unter Verwendung einer Lösung gemischt, bei der Diirontrioxyd (Fe&sub2;O&sub3;) und Diyttriumtrioxyd (Y&sub2;O&sub3;) als gelöster Stoff aufgelöst werden. Die Flußmethode ermöglicht es, daß große Einkristalle erhalten werden, indem Kristallkeime in die oben erwähnte Lösung eingegeben und diese langsam gekühlt wird. Das LPE-Verfahren ermöglicht es, durch Züchten von Kristallen in einem Gadolinium-Gallium-Granat (Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;: im folgenden abgekürzt als "GGG")-Einkristallsubstrat ein Dünnfilmeinkristall zu erhalten.
Weiterhin ist ein Schwebezonen-Schmelzverfahren (im folgenden als FZ-Verfahren bezeichnet) für das Züchten von Einkristallen bekannt. Das FZ-Verfahren involviert das Züchten von Einkristallen durch Aufrechterhalten eines Polykristall- Rohmaterials in einem Heizofen, das Schaffen einer Schmelzzone durch Aufheizen nur eines gewissen Teils auf eine Temperatur, die höher als der Schmelzpunkt ist, und Bewegen der Schmelzzone. Das FZ-Verfahren hat den Vorteil, daß es erlaubt, Unreinheiten daran zu hindern, aus einem Schmelztiegelelement eingeführt zu werden, da kein Schmelztiegel verwendet wird, daß die Atmosphäre willkürlich eingestellt werden kann und daß es ermöglicht, Einkristalle aus einer Substanz mit hohem Schmelzpunkt herzustellen.
Ferner war ein Verfahren für eine sich fortbewegende, neues Material aufschmelzende Schmelzzone (travelling solvent floating zone) (im folgenden als TSFZ-Verfahren abgekürzt) als eine Art des FZ-Verfahrens bekannt. Das TSFZ-Verfahren des Züchtens von Einkristallen umfaßt die Lieferung eines Kristallkeim-Lösungsmittels, dessen Zusammensetzung und Gewicht genau eingestellt wurden, das Aufheizen und Schmelzen bis zur vollen Kongruenz und dann die Kombination mit einem Polykristall als Rohmaterial (S. Kimura et. al., J. Cryst. Growth, 41 (1977) 192-198). Da dieses Verfahren es ermöglicht, große Einkristalle der inkongruenten Schmelzverbindung aus einer Schmelze zu züchten, werden Einkristalle von Oxyd- Hochtemperatur-Supraleitern derzeit aktiv unter Verwendung des TSFZ-Verfahrens gezüchtet.
Die Erfinder züchteten faserige YIG-Einkristalle durch das FZ-Verfahren unter Verwendung eines YAG-Lasererhitzungs- Image-Ofens mit der Montage eines YAG-Lasers als optische Heizeinheit (Sammlung der Vortragsmansukripte, 42nd Spring Lecture Meeting of Association Related to Applied Physics, Nr. 1, 28p-TA-16, 1995).
Als Ergebnis intensiver Forschung stellten die Erfinder fest, daß YIG direkt aus der Oberfläche des Kristallkeims ohne absichtliche Nutzung von Lösungsmitteln wächst, wenn die Probe ein Fasergefüge aufweist. Bei der Erforschung dieses Wachstumsmechanismus stellten die Erfinder fest, daß es sich insoweit um eine sich selbst anpassende Reaktion handelt, als YFeO&sub3; (Orthoferrit) die anfängliche Phase im Schmelzzonenteil genau unter der Verbindung zwischen dem Polykristallrohmaterial und dem Kristallkeim wächst und daß YIG sich absetzt, während die verbleibende, an Fe reiche flüssige Phase ein Schmelzwirkstoff wird (Sekijima, et. al.: The 27th Domestic Conference On Crystal Growth, 801a1B3, 1996).
Es wird angemerkt, daß die Einkristall-Züchtungseinrichtung, die die Erfinder verwendet haben, so konstruiert ist, daß sie in der Lage ist, eine im Vergleich zu einer normalen optischen Heizeinheit sehr kleine Schmelzzone zu schaffen, um die faserigen und dünnen Proben zu behandeln. Demzufolge tritt die oben erwähnte, sich selbst anpassende Reaktion in dem sehr kleinen Bereich augenblicklich ein.
Da sich Orthoferrit als anfängliche Phase bei dem an sich bekannten FZ-Verfahren an der Verbindung zwischen dem Rohmaterial und dem Kristallkeim absetzt, konnte die Wachstumsorientierung des Einkristalls nicht gesteuert werden. Demzufolge mußte das Einkristall mit dem TSFZ-Verfahren gezüchtet werden, um die Wachstumsausrichtung des Einkristalls zu steuern. Es ist jedoch physikalisch schwierig, beim Erhalt von dünnem Kristall Lösungsmittel auf dem Kristallkeim aufzubringen, dessen Durchmesser weniger als 3 mm beträgt. Und weiterhin ist es, da die Lösungsmittelmenge sehr kein ist, schwierig, ihr Gewicht zu kontrollieren. Aus diesen Gründen gab es ein Problem dahingehend, daß, wenn die Menge an Lösungsmittel nicht adäquat ist, die Form des erhaltenen Einkristalls instabil wird, weil die Zusammensetzung während des Wachstums des Einkristalls schwankt.
Es gab auch eine Schwierigkeit bei dem TSFZ-Verfahren dahingehend, daß die Form der Schmelzzone instabil wird und die Schmelzzone vom Züchten des Einkristalls abgetrennt wird, wenn die Schmelze in der Schmelzzone in das Polykristallrohmaterial infiltriert.
Aus den vorstehenden Gründen besteht Bedarf an einem Verfahren zur Züchtung von Einkristallen, das es ermöglicht, daß das Einkristall aus der inkongruenten Schmelzverbindung stabil gezüchtet wird, wobei die Wachstumsorietierung kontrolliert wird.
Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zur Züchtung von Einkristallen zu schaffen, das diesem Bedarf gerecht wird. Das Verfahren zur Züchtung von Einkristallen umfaßt die folgenden Schritte: Halten eines verbundenen Polykristalls und Kristallkeims in einem Heizofen, Aufheizen des Polykristalls auf der entgegengesetzten Seite zu der Seite, an der das Polykristall mit dem Kristallkeim zur Bildung einer Schmelzzone verbunden wird, Bewegung der Schmelzzone zu der Seite, an der das Polykristall mit dem Kristallkeim verbunden ist, so daß die Schmelzzone mit dem Kristallkeim in Kontakt ist, und Züchten des Einkristalls durch Bewegung der Schmelzzone, die mit dem Kristallkeim in Verbindung war und an einer der Seite entgegengesetzten Seite, wo das Polykristall mit dem Kristallkeim verbunden ist, geimpft wurde.
Erfindungsgemäß kann das Einkristall aus der inkongruenten Schmelzverbindung ohne Verwendung eines getrennten Lösungsmittels gezüchtet werden. Da die Dichte des Rohmaterials erhöht werden kann, kann Kristall von guter Qualität mit hoher Leistung gezüchtet werden. Darüber hinaus erlaubt das Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach der Erfindung ein Einkristall mit einer Größe, die zu der Form einer in Serie herzustellenden Vorrichtung konform ist.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein binäres Phasendiagramm des Fe&sub2;O&sub3;-YFe&sub2;O&sub3;-Systems unter Sauerstoffdruck von einer Atmosphäre,
Fig. 2A eine vordere Schnittansicht mit der Darstellung eines Beispiels einer Einkristallzüchtungsvorrichtung für das Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach der Erfindung,
Fig. 2B eine Schnittansicht von oben der in Fig. 1A gezeigten Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen,
Fig. 3A bis 3F Verfahrensschritte nach dem Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach der Erfindung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Einkristallfaser, die durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Züchtung von Einkristallen hergestellt wurde, verbunden mit einem Kristallkeim,
Fig. 5 eine vordere Schnittansicht mit der Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Züchtung von Einkristallen.
Das Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach der Erfindung ist ein Verfahren zur Züchtung von Einkristallen durch Einbringen von YFeO&sub3;, das an einem Verbindungsteil eines polykristallinen Rohmaterials und eines Kristallkeims aus dem Reaktionssystem und unter Verwendung der hergestellten flüssigen Phase als Lösungsmittel generiert wurde, Mit anderen Worten ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Züchtung von Einkristallen unter Verwendung der sich selbst anpassenden Lösungsmittel (flüssigen Phase), das durch die inkongruente Schmelzreaktion entstand. Das Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach der Erfindung wird demzufolge als Verfahren für eine sich selbst anpassende, neues Material aufschmelzende Schmelzzone (Self Solvent Floating Zone - SSFZ) bezeichnet.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Züchtung von Einkristallen werden Polykristalle und Kristallkeime eines magnetischen Granat-Einkristalls, wie z. B. YIG, oder Oxyd- Supraleiter, wie z. B. YBCO, in einem Heizofen mit einer Heizvorrichtung gehalten und miteinander verbunden. Dann wird auf der entgegengesetzten Seite zu der Seite, von der aus das Polykristall mit dem Kristallkeim verbunden wird, das Polykristall erhitzt, um eine Schmelzzone zu bilden. Anschließend wird die Schmelzzone zu der Seite geführt, wo das Polykristall mit dem Kristallkeim verbunden wird, indem die Heizzone bewegt wird. Wenn die Schmelzzone den Verbindungsteil erreicht, wird die Schmelzzone geimpft, indem es der Schmelzzone ermöglicht wird, während einer Weile mit dem Kristallkeim in Kontakt zu kommen. Anschließend wird das Einkristall dadurch gezüchtet, daß die Schmelzzone, die mit dem Kristallkeim in Verbindung war und geimpft wurde, zur entgegengesetzten Seite zu der Seite geführt wird, wo das Polykristall mit dem Kristallkeim verbunden wird.
Während des vorerwähnten Prozesses wird Orthoferrit (YFeO&sub3;) außerhalb des Reaktionssystems gesetzt, indem eine inkongruente Schmelzreaktion durch Erhitzen und Schmelzen des Polykristalls als Rohmaterial auf der entgegengesetzten Seite zu der Seite verursacht wird, wo das Polykristall mit dem Kristallkeim verbunden wird, und durch Bewegen der hergestellten flüssigen Phase zu der Seite des Kristallkeims, um eine Verbindung mit dem Kristallkeim herzustellen. Demzufolge weist die hergestellte flüssige Phase eine zum Absetzen von YIG geeignete Zusammensetzung auf. Deshalb ermöglicht das Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach der Erfindung eine kontrollierbare Wachstumsorientierung des Einkristalls, und es kann ein Einkristall höher Qualität mit großer Geschwindigkeit gezüchtet werden.
Des weiteren wird nach dem Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach der Erfindung das Polykristall als Rohmaterial einmal erhitzt und geschmolzen, so daß die Dichte des Polykristalls als Rohmaterial zunimmt. Es ist demzufolge möglich, zu verhindern, daß die Schmelze in das Polykristallrohmaterial infiltriert, und die Form der Schmelzzone kann stabilisiert werden.
Demzufolge ist es möglich zu verhindern, daß die Schmelzzone während des Züchtens des Einkristalls abgetrennt wird, und die Form des so erhaltenen Einkristalls wird ebenfalls stabilisiert.
Nach dem Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach der Erfindung kann das Polykristall eine beliebige Form haben, d. h. Faser, quadratischer Stab, dünne Platte oder Film auf einem Substrat. Dies erlaubt die direkte Züchtung eines Einkristalls, das zur Form der Vorrichtung konform ist.
Des weiteren kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Züchtung von Einkristallen das Polykristall ein dünnes Kristall mit einer faserigen Form von weniger als 3 mm Durchmesser oder ein quadratischer Stab oder eine dünne Platte von weniger als 3 mm Breite sein. Das Polykristall kann auch ein auf einem Substrat ausgebildeter Film sein, dessen Breite geringer als 3 mm ist.
Die Schmelzzone wird vorzugsweise durch eine optische Heizvorrichtung in der Weise gebildet, daß ein scharfer Temperaturgradient im Bereich der Schmelzzone geschaffen wird und daß das Wachstum von Orthoferrit unterdrückt werden kann.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. Während ein Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach der Erfindung zur Züchtung beispielsweise von magnetischen Granat-Einkristallen und Oxyd-Hochtemperatur- Supraleitern verwendet werden kann, wird dies nachstehend unter Heranziehung von YIG als Beispiel erläutert.
Fig. 2A ist eine vordere Schnittansicht mit der Darstellung eines Beispiels einer Einkristall-Züchtungsvorrichtung für das Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach der Erfindung. Fig. 2B ist eine Schnittansicht von oben der in Fig. 2A gezeigten Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen.
Die Einkristall-Züchtungsvorrichtung 10 umfaßt eine YAG- Lasergenerierungseinheit 12, welche eine optische Heizeinheit als Hauptheizeinheit aufweist. Zwei Laserstrahl- Abgabeöffnungen 16a und 16b werden für die YAG-Lasergenerierungseinheit 12 über Fasern 14a und 14b gebildet.
Die Einkristall-Züchtungsvorrichtung 10 weist auch ein Gehäuse 17 auf. Ein kubischer bi-elliptischer Spiegel 18, der von der Rotationsfläche einer Bi-Ellipse umgeben wird, die um ihre Hauptachse gedreht wird, wird im Gehäuse 17 als Ref hektorplatte ausgebildet. Hier hat die Bi-Ellipse eine Form, in der die beiden Ellipsen miteiriander kombiniert werden, während sie einen gemeinsamen Brennpunkt haben. Laserstrahl- Abgabeöffnungen 16a und 16b dringen durch das Gehäuse 17 und den bi-elliptischen Spiegel 18 ein und werden so angeordnet, daß sie einander gegenüberliegen, und dazwischen liegt der von dem bi-elliptischen Spiegel 18 umgebene räumliche Zentralteil.
Halogenlampen 20a und 20b sind in dem bi-elliptischen Spiegel 18 in verschiedenen Stellungen angeordnet, welche den Brennpunkten der verschiedenen Ellipsen entsprechen. Der bielliptische Spiegel 18 und die Halogenlampen 20a und 20b bilden eine optische Heizeinheit als Hilfsheizeinheit. Die Halogenlampen 20a und 20b sind Lichtquellen, die als Hitzequellen verwendet werden. Licht aus den Halogenlampen 20a und 20b wird durch die innere Fläche des bi-elliptischen Spiegels 18 reflektiert und am gemeinsamen Brennpunkt F der Bi-Ellipse fokussiert. Darüber hinaus werden die Laserstrahlen aus den Laserstrahl-Abgabeöffnungen 16a und 16b auch in Richtung auf den gemeinsamen Brennpunkt F der Bi-Ellipse innerhalb des bielliptischen Spiegels 18 abgegeben.
Demzufolge wird eine Probe erhitzt, wenn sie an dem Brennpunkt F an dem durch den bi-elliptischen Spiegel 18 umgebenen räumlichen Zentralteil angeordnet wird. Es ist auch möglich, die Temperaturverteilung und den Temperaturgradienten auf optimale Bedingungen dadurch einzustellen, daß die Leistung des YAG-Läsers und die Leistung der Halogenlampen 20a und 20b gesteuert werden. Während erfindungsgemäß am Brennpunkt F die Temperatur beispielsweise ca. 1720ºC erreicht, fällt die Temperatur in dem Teil abrupt ab, der vom Brennpunkt F entfernt ist, da dieser Teil nicht erhitzt wird. Demzufolge wird ein großer und abrupter Temperaturgradient am Heizteil und in dessen Nähe gebildet. Es ist auch möglich, den Temperaturgradienten in der Nähe einer später zu beschreibenden Schmelzzone 26 zu steuern, indem die Leistung der Halogenlampen 20a und 20b gesteuert wird.
Eine obere Welle 22a und eine untere Welle 22b für das Halten des Rohmaterialstabs und eines Kristallkeims sind in der Weise angeordnet, daß sie gegenüberliegen, wobei der Brennpunkt F auf der durch den bi-elliptischen Spiegel 18 umgebenen Innenseite dazwischenliegt. Die obere Welle 22a und die untere Welle 22b erstrecken sich bezogen auf den bi-elliptischen Spiegel 18 jeweils von innen nach außen und sind mit einer oberen Wellenantriebseinheit 23a und einer unteren Wellenantriebseinheit 23b verbunden. Die obere Wellenantriebseinheit 23a und die untere Wellenantriebseinheit 23b treiben die obere Welle 22a und die untere Welle 22b in Richtung der Welle synchron zueinander an. Die Bewegungsgeschwindigkeit beträgt ca. 10 mm/Std. bei Auflösen und erstarren des Rohmaterialstabs und liegt vorzugsweise bei ca. 1 mm bis 8 mm/Std., wenn ein Einkristall gezüchtet wird. Das bedeutet, daß es vorzuziehen ist, daß die Bewegungsgeschwindigkeit bei dem Verfahrensschritt des Auflösens/Erstarrens größer ist als beim Verfahrensschritt des Kristallzüchtens.
Bei diesem Ausführungsbeispiel bewegen sich die obere Welle 22a und die untere Welle 22b mit der gleichen Bewegungsgeschwindigkeit synchron zueinander. Die Bewegungsgeschwindigkeit der oberen Welle 22a und der unteren Welle 22b kann jedoch beim Züchten des Einkristalls unterschiedlich sein. Beispielsweise kann ein Einkristall, welches dünner und schmaler ist als der Rohmaterialstab, erhalten werden, wenn die Bewegungsgeschwindigkeiten der oberen Welle 22a und der unteren Welle 22b in der Weise eingestellt werden, daß die obere Welle 22a graduell von der unteren Welle 22b entfernt wird. Ein Einkristall, das dicker ist als der Rohmaterialstab, kann erhalten werden, wenn die Bewegungsgeschwindigkeiten der oberen Welle 22a und der unteren Welle 22b so eingestellt werden, daß die obere Welle 22a näher an die untere Welle 22b herangeführt wird. Es wird angemerkt, daß, wenn auch die Einkristall-Züchtungsvorrichtung 10 bewirkt, daß der Rohmaterialstab bewegt wird, während die Position festgelegt wird, wo der Laserstrahl und das reflektierte Licht für das Erhitzen fokussiert werden, es auch möglich ist, die Vorrichtung in der Weise einzurichten, daß die Position, an der der Laserstrahl und das reflektierte Licht fokussiert werden, bewegt wird, während der Rohmaterialstab fest steht.
Ein YIG-Polykristall mit der Form eines runden Stabes, eines quadratischen Stabes, einer Platte oder ähnlichem wird als Rohmaterialstab 24 am Ende der oberen Welle 22a gegenüber der unteren Welle 22b fixiert. Dieses YIG-Polykristall ist eine Keramik. Wenn ein runder Stab als Rohmaterialstab 24 verwendet wird, kann ein faseriges Einkristall mit kreisförmigem Querschnitt erhalten werden. Wenn ein quadratischer Stab verwendet wird, kann ein faseriges oder Dünnplatten-Einkristall mit rechteckigem Querschnitt erhalten werden. Es wird angemerkt, daß das Einkristall mit rechteckiger Form rascher dadurch erhalten werden kann, daß der Lichtpunkt des ausgestrahlten Laserstrahls in einer länglichen Form eingestellt wird. Beispielsweise kann der Laserstrahl durch eine Linse gestreut werden, um den bestrahlten Lichtpunkt zu vergrößern, wenn das Rohmaterial breit ist.
Der Kristallkeim 25 ist am Ende der unteren Welle 22b gegenüber der oberen Welle 22ä befestigt. Durch Halten des Rohmaterialstabes 24 und des Kristallkeims 25 wie oben beschrieben stoßen diese gegeneinander an. Das YIG-Einkristall wird als Kristallkeim 25 verwendet. Es wird angemerkt, daß im Gegensatz zu dem oben Beschriebenen der Kristallkeim 25 mit der oberen Welle 22a verbunden werden kann und der Rohmaterialstab 24 mit der unteren Welle 22b verbünden werden kann.
Weiterhin kann statt des Rohmaterialstabes 24 ein Filmrohmaterialelement 24, welches durch Anwenden eines Schlamms von YIG-Polykristall auf der Oberfläche eines GGG-Substrats und beispielsweise durch Trocknen des Schlamms gebildet wird, verwendet werden kann. Dies erlaubt, daß ein Dünnplatten- oder ein Dünnfilmmagnet-Granat-Einkristall auf dem GGG- Substrat erhalten werden kann. Es wird angemerkt, daß jeweils entweder die obere Welle 22a oder die untere Welle 22b in diesem Fall allein verwendet werden kann, um den Rohmaterialstab 24 zu halten und zu bewegen.
Die obere Welle 22a, die untere Welle 22b, der Rohmaterialstab 24, der Kristallkeim 25 und das erhaltene Einkristall 28 werden in einem Quarzrohr 27 abgelegt. Die Atmosphäre in dem Quarzrohr 27 wird entsprechend den Herstellungsbedingungen des Einkristalls durch Einfüllen von Ar-Gas oder O&sub2;-Gas gesteuert.
Die Fig. 3A bis 3F zeigen Verfahrensschritte entsprechend dem Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren zur Züchtung von YIG- Einkristall durch die Einkristall-Züchtungsvorrichtung 10 wird unter Bezugnahme auf diese Figuren erläutert. Zunächst wird (Fig. 3A) der Rohmaterialstab 24 mit dem Kristallkeim 25 verschweißt. Dieses Schweißen wird dadurch durchgeführt, daß das Ende des Rohmaterialstabes 24 gegenüber dem Kristallkeim 25 an dem Brennpunkt F angeordnet wird, daß ein Ende des Rohmaterialstabes 24, das dem Kristallkeim 25 gegenüberliegt, durch die Haupt- und Hilfsheizeinheiten erhitzt und geschmolzen wird, und durch Heranführen des Endes des Rohmaterialstabes 24 zu einem Ende des Kristallkeims 25. Der Teil, wo der Rohmaterialstab 24 mit dem Kristallkeim 25 verschweißt wird, wird im folgenden als C-Verbindung bezeichnet. Als Ergebnis wurde der Polykristallstab 24 mit einem ersten Ende 24a und einem zweiten Ende 24b erhalten und mit dem Kristallkeim 25 an dem ersten Ende 24a desselben verbunden (Fig. 3B).
Als nächstes wird das Erhitzen gestoppt, und die obere Welle 22a und die untere Welle 22b werden synchron zueinander bewegt, um das andere Ende (zweites Ende 24b) des Rohmaterialstabes 24 auf der zur C-Verbindung gegenüberliegenden Seite zum Brennpunkt F zu führen, wie dies in Fig. 3B gezeigt wird. Es wird angemerkt, daß ein Pfeil in Fig. 3B die Bewegungsrichtung des Rohmaterialstabes 24 und des Kristallkeims 25 zeigt. Dann wird das Ende (zweites Ende 24b) des Rohmaterialstabes 24 auf der zum verschweißten Bereich entgegengesetzten Seite erhitzt und geschmolzen, um, wie in Fig. 3C gezeigt, eine Schmelzzone 26 zu bilden. Demzufolge wird entsprechend dieser Ausführungsform Orthoferrit, die anfängliche Phase, an einem Ende (zweites Ende 24b) des Rohmaterialstabes 24 auf der zum verschweißten Bereich entgegengesetzten Seite abgesetzt. Inzwischen umfaßt die flüssige Phase in der Schmelzzone 26 eine an Fe reiche Zusammensetzung, welche zum Absetzen von YIG geeignet ist. Obwohl die Form des Lichtpunktes des Laserstrahls und des von der Haupt- und Hilfsheizeinheit verursachten reflektierten Lichts in diesem Fall ein elliptischer Würfel von 1 mm Höhe und 6 mm Länge ist, ergibt sich beispielsweise auf dem Rohmaterialstab 24 eine sehr kleine rechteckige kubische Form von 1 mm im Quadrat. Die Temperatur des Lichtpunktes beträgt ca. 1720ºC. Da darüber hinaus die oben erwähnten optischen Heizeinheiten verwendet werden, wird in der Nähe des Spots ein steiler Temperaturgradient geschaffen.
Als nächstes wird die Schmelzzone 26 zu der C-Verbindung (erstes Ende 24a) des Rohmaterialstabes 24 und des Kristallkeims 25 geführt, indem die obere Welle 22a und die untere Welle 22b, wie in Fig. 3 gezeigt, synchron bewegt werden. Es wird angemerkt, daß der Pfeil in der Figur die Bewegungsrichtung des Rohmaterialstabes 24 und des Kristallkeims 25 angibt. Diese Heberate beträgt beispielsweise 10 mm/Std. Der Teil des Rohmaterialstabes 24 in der Schmelzzone 26 wird erhitzt und geschmolzen. Da inzwischen ein Teil 24' des Rohmaterialstabes 24, an dem sich die Schmelzzone 26 vorbeibewegte, nach dem Schmelzen erstarrte, nahm die Dichte des Teils 24' zu. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Schmelzzone 26 ist nicht auf die oben angegebene Geschwindigkeit beschränkt, und es ist vorzuziehen, daß sie um so viel wie möglich in dem Bereich schneller ist, in dem der Zweck der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann. Sie ist abhängig von der Stärke und ähnlichem des Rohmaterialstabes 24 unterschiedlich.
So wird Orthoferrit (YFeO&sub3;) aus dem Reaktionssystem herausgenommen, und die Dichte des Rohmaterialstabes 24 wird durch Durchführung der Schritte nach den Fig. 3C und 3D erhöht.
Es wird angemerkt, daß bei diesem Ausführungsbeispiel zwar wohl die Schmelzzone 26 stets an dem Brennpunkt F gebildet wird und das, was tatsächlich bewegt wird, der Rohmaterialstab 24 und der Kristallkeim 25 sind, dies wird aber als eine Bewegung der Schmelzzone 26 betrachtet, da gesagt werden kann, daß die Schmelzzone 26 relativ bewegt wird.
Als nächstes wird die Schmelzzone 26 mit dem Kristallkeim 25, wie in Fig. 3E gezeigt, in Kontakt gebracht. Bei diesem Verfahrensschritt wird die Schmelzzone 26 an der C-Verbindung (des ersten Endes 24a) während einer vorherbestimmten Zeit gestoppt, um ein volles Keimen zu ermöglichen. Das heißt, es ist notwendig, zu bewirken, daß der Einkristallmaterialstab 24' des Polykristalls, der noch einmal nach dem Schmelzen erstarrte, mit dem Kristallkeim 25 perfekt kongruent ist, um vollständig gekeimt zu sein. Beispielsweise wird die Schmelzzone 26 bei der C-Verbindung während 30 Minuten bis 1 Stunde angehalten.
Als nächstes wird das Einkristall durch Bewegung der Schmelzzone 26 von der Seite der C-Verbindung zum anderen Ende (zweites Ende 24b) der Rohmaterialstabes 24 und durch sukzessives Durchführen des Heizens, des Schmelzens, des Kühlens und Erstarrens, wie in Fig. 3F gezeigt, gezüchtet. Ein Pfeil in Fig. 3F gibt die Bewegungsrichtung des Rohmaterialstabes 24' und des Kristallkeims 25 an. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Schmelzzone 26 ist diesmal beispielsweise 1 mm/Std. bzw. 8 mm/Std.
Somit wird ein YIG-Einkristall 28 erhalten.

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht mit der Darstellung des nach dem oben erwähnten Verfahren hergestellten YIG- Einkristalls 28 mit der Orientierung < 111> , verbunden mit dem Kristallkeim 25. Die Größe der Einkristallfaser 28 beträgt ca. 0,8 mm Durchmesser und die Länge ca. 20 mm. Es wurde festgestellt, daß die Wachstumsorientierung des Einkristalls deshalb kontrolliert werden konnte, weil das Laue-Bild der so erhaltenen Einkristallfaser 28 identisch zu demjenigen des Kristallkeims 25 ist, was sich aus einem Vergleich durch Aufnahme von jeweiligen Transmissionsfotografien nach Laue ergab.

Zweites Ausführungsbeispiel

Es wurde festgestellt, daß die Wachstumsorientierung des Einkristalls deshalb kontrolliert werden konnte, weil die gleichen Laue-Bilder erhalten wurden, wenn das Einkristall durch Verwendung eines Kristallkeims 25 mit 3 mm Durchmesser gezüchtet wurde, und der Rohmaterialstab 24 in der gleichen Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wurde, und es wurden Fotografien nach Laue des Kristallkeims 25 und des so gezüchteten Einkristalls 28 aufgenommen.

Drittes Ausführungsbeispiel

Es wurde festgestellt, daß die Wachstumsorientierung deshalb nicht kontrolliert werden konnte, weil nicht die gleichen Laue-Bilder erhalten wurden, wenn das Einkristall unter Verwendung eines Kristallkeims 25 mit 3,5 mm Durchmesser gezüchtet wurde, und der Rohmaterialstab 24 in der gleichen Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wurde, und es wurden Laue-Fotografien des Kristallkeims 25 und des so gezüchteten Einkristalls 28 aufgenommen. Wenn die Struktur der C-Verbindung des Kristallkeims 25 mit dem so erhaltenen Einkristalls 28 analysiert wurde, wurde bestätigt, daß Orthoferrit (YFeO&sub3;) vorhanden war.

Viertes Ausführungsbeispiel

Wenn das Einkristall durch Verwendung eines Kristallkeims 25 von anderer Orientierung als < 111> in der gleichen Weise gezüchtet wurde wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel und Laue-Fotografien des Kristallkeims 25 und des so erhaltenen Einkristalls 28 aufgenommen wurden, wurden die gleichen Laue- Bilder erhalten. Dadurch wurde festgestellt, daß die Orientierung für andere als die Orientierung < 111> kontrolliert werden konnte.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Das Einkristall 28 wurde in der gleichen Weise wie beim vierten Ausführungsbeispiel gezüchtet, mit der Ausnahme, daß ein Kristallkeim 25 von 1 mm Durchmesser und ein Rohmaterialstab 24 von 3 mm Durchmesser verwendet wurden und daß die Bewegungsgeschwindigkeit der oberen Welle 22a langsamer eingestellt wurde als diejenige der unteren Welle 22b, so daß der Abstand zwischen der oberen Welle 22a und der unteren Welle 22b allmählich größer wurde. Die gleichen Laue-Bilder wurden erhalten, wenn die Laue-Fotografie des Kristallkeims 25 und des so gezüchteten Einkristalls 28 aufgenommen wurden, so daß entsprechend festgestellt wurde, daß die Orientierung auch dann kontrolliert werden konnte, wenn ein Kristallkeim und ein Rohmaterial mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet wurden.

Sechstes Ausführungsbeispiel

Es wurde festgestellt, daß die Orientierung in der gleichen Weise kontrolliert werden konnte, wenn ein YBCO-Einkristall, d. h. also die Hochtemperatur-Supraleitsubstanz, unter Verwendung eines Kristallkeims 25 aus YBCO, eines Oxyd- Hochtemperatur-Supraleiters anstelle von YIG und eines Rohmaterialstabs 24 in der gleichen Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel gezüchtet wurde. Es wird in diesem Fall angenommen, daß ein Isolator Y&sub2;BCO&sub5;, der die Kontrolle der Orientierung behindert, mit dem gleichen Mechanismus aus dem Reaktionssystem herausgenommen wird, wie er bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel erläutert wurde.

Siebtes Ausführungsbeispiel

Einkristall wurde unter Verwendung einer Einkristall- Züchtungsvorrichtung 40 gezüchtet, das in diesem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 gezeigt wird.
Die in Fig. 5 gezeigte Einkristall-Züchtungsvorrichtung 40 unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten Einkristall- Züchtungsvorrichtung 10 insoweit als die Laserstrahl- Abgabeöffnungen 17a und 17b zusätzlich vorgesehen sind. Die Laserstrahl-Abgabeöffnungen 17a und 17b sind mit der YAG- Lasergenerierungseinheit 12 über Fasern 15a und 15b verbunden. Die Laserstrahl-Abgabeöffnungen 17a und 17b sind so angeordnet, daß die von dem Laserstrahl-Abgabeöffnungen 17a und 17b abgegebenen Laserstrahlen an den um einen vorherbestimmten Abstand vom Brennpunkt F entfernten Punkt M auf dem Rohmaterialstab 24 einwirken. Demzufolge wird der Rohmaterialstab 24 auch am Punkt M erhitzt und geschmolzen, und es wird eine zweite Schmelzzone 26' gebildet. Die Schmelzzone 26' wird verwendet, um Orthoferrit aus dem Reaktionssystem herauszunehmen und um den Verfahrensschritt der Erhöhung der Dichte des Rohmaterialstabes 24 zu verkürzen. Das heißt, die in Fig. 5 gezeigte Einkristall-Züchtungsvorrichtung 40 erlaubt es, die Bewegungsdistanz und die Bewegungszeit des Rohmaterialstabes 24 dadurch zu verkürzen, daß die Schmelzzone 26 und die Schmelzzone 26' zur gleichen Zeit in den Schritten. nach den Fig. 3C und 3D und durch Bewegen des Rohmaterialstabes 24, während die beiden Stellen zur gleichen Zeit geschmolzen werden und erstarren, gebildet werden.
Ein Einkristall wurde durch Verwendung des gleichen Materialstabes 24 und des Kristallkeims 25 wie beim ersten Ausführungsbeispiel unter Verwendung der in Fig. 5 gezeigten Einkristall-Züchtungsvorrichtung 40 gezüchtet. Dann wurden Laue- Fotografien vom Kristallkeim 25 und vom so erhaltenen Einkristall 28 aufgenommen. Es wurde bestätigt, daß die Orientierung deshalb kontrolliert werden konnte, weil die gleichen Bilder erhalten wurden, was sich aus dem Vergleich der Laue- Bilder ergab.
Wie sich aus der vorstehenden Erklärung ergibt, erlaubt es das Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach der Erfindung, Einkristalle der kongruenten Schmelzverbindung ohne Verwendung von Flußmitteln zu züchten. Des weiteren erlaubt das Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach der Erfindung ein schnelles Herstellen von Kristallen guter Qualität mit hoher Produktivität, da das Verfahren den Schritt der Erhöhung der Dichte des Materialstabes vor dem Schritt des Züchtens des Einkristalls umfaßt. Darüber hinaus erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren zur Züchtung von Einkristallen, daß Einkristalle eine Größe haben, die zur Form einer in Serie zu produzierenden Vorrichtung paßt.
Es wurden zwar bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung offengelegt, jedoch werden verschiedene Formen der Umsetzung der hierin offenbarten Prinzipien als zum Rahmen der Erfindung gehörend betrachtet.

Claims

1. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

Herstellung eines inkongruent schmelzenden Polykristalls, das ein erstes und ein zweites Ende aufweist, und eines Einkristallkeims, der mit dem ersten Ende desselben verbunden ist;

Aufheizen eines Teils des Polykristalls, der von dem ersten Ende entfernt liegt, um in diesem Teil des Polykristalls eine Schmelzzone zu bilden;

Bewegen der Schmelzzone in Richtung des ersten Endes des Polykristalls, um den Kristallkeim zu berühren; und

Züchten des Einkristalls durch Bewegen der Schmelzzone in Richtung des zweiten Endes des Polykristalls.

2. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polykristall eine Faser, ein quadratischer Stab, eine dünne Platte oder eine Schicht auf einem Substrat ist.

3. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polykristall eine faserähnliche Form mit einem Durchmesser von weniger als 3 mm hat.

4. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polykristall ein quadratischer Stab oder eine Platte von weniger als 3 mm Breite ist.

5. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polykristall eine Schicht auf einem Substrat ist, deren Breite weniger als 3 mm beträgt.

6. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzzone durch Hitze aus einer optischen Heizeinheit gebildet wird.

7. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzzone dadurch bewegt wird, daß die relativen Positionen des Polykristalls und der Heizeinheit versetzt werden.

8. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzzone während einer für das Keimen der Schmelzzone ausreichenden Zeitdauer mit dem Kristallkeim in Verbindung gehalten wird.

9. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Züchtens dadurch durchgeführt wird, daß das erste Ende des Polykristalls relativ zur Heizeinheit schneller bewegt wird, als das zweite Ende relativ zu der genannten Heizeinheit bewegt wird.

10. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Züchtens dadurch durchgeführt wird, daß das erste Ende des Polykristalls relativ zur Heizeinheit langsamer bewegt wird, als das zweite Ende relativ zu der Heizeinheit bewegt wird.

11. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des genannten Bewegens der Schmelzzone zum ersten Ende des Polykristalls höher ist als die Geschwindigkeit des genannten Bewegens der Schmelzzone in Richtung des zweiten Endes des Polykristalls.

12. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des genannten Bewegens der Schmelzzone in Richtung des ersten Endes des Polykristalls circa 10 mm pro Stunde beträgt und die Geschwindigkeit des genannten Bewegens der Schmelzzone in Richtung des zweiten Endes des Polykristalls circa 1 bis 8 mm pro Stunde beträgt.

13. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Polykristall ein magnetisches Yttrium-Eisen-Granat-Polykristall ist.

14. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Polykristall ein Hochtemperatur-Yttrium-Barium-Kupferoxyd-Supraleiter ist.

15. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des genannten Bewegens der Schmelzzone in Richtung des ersten Endes des Polykristalls höher ist als die Geschwindigkeit des genannten Bewegens der Schmelzzone in Richtung des zweiten Endes des Polykristalls.

16. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzzone während einer für das Keimen der Schmelzzone ausreichenden Zeitdauer mit dem Kristallkeim in Verbindung gehalten wird.

17. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polykristall ein Eisen enthaltendes magnetisches Yttrium-Granat-Polykristall ist.

18. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Granat- Einkristall ein Yttrium-Eisen-Granat-Polykristall ist.

19. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polykristall ein Hochtemperatur-Supraleiter ist.

20. Verfahren zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatur- Supraleiter ein Yttrium-Barium-Kupferoxyd ist.