JP2000001389A

JP2000001389A - 単結晶の製造方法および単結晶の育成装置

Info

Publication number: JP2000001389A
Application number: JP9184999A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Ouchi; 龍一大内; Minoru Imaeda; 美能留今枝
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-01-07

Abstract

(57)【要約】【課題】アイソレーター素子用単結晶を製造するのに際
して、単結晶の原料が充填された容器を熱処理して融帯
を連続的に生成させて単結晶を育成する方法において、
所望組成の単結晶の歩留りを上昇させ、消光比を向上さ
せる。【解決手段】グラッシーカーボンからなるルツボの中に
単結晶の原料を充填し、単結晶を生成させる。また、加
熱炉４０の予熱部４０ａ、融帯生成部４０ｂがそれぞれ
ヒーター３４Ａ、３４Ｂを備えており、単結晶化部４０
ｃが、着脱可能な一つ以上の断熱材ユニット４１Ａ−４
１Ｄからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｈｇ−Ｃｄ−Ｍｎ
−Ｔｅ系等の単結晶からなるアイソレーター素子用単結
晶の製造方法および装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、エルビウム添加光ファイバー増幅
器が注目を集めている。エルビウムの励起波長として
は、特に０．９８μｍが有望視されている。０．９８μ
ｍ帯光アイソレーター用材料としては、バルクのＨｇ−
Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ系の単結晶が最も有望である。光アイ
ソレーターとして有望な組成の範囲は、例えば特開平７
−２３３０００号公報に開示されている。

【０００３】しかし、バルクのＨｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ
系の単結晶の育成は非常に困難であった。なぜなら、蒸
気圧が高い成分である水銀が含有されていることから、
通常のブリッジマン法で単結晶を育成した場合にはルツ
ボの内圧が極めて高くなり、ルツボが破裂するという問
題があったからである。

【０００４】高圧ブリッジマン炉を使用してＨｇ−Ｃｄ
−Ｍｎ−Ｔｅ系の単結晶を製造する装置は、例えば特開
平７−２０６５９８号公報に開示されている。これは、
高圧ブリッジマン炉の上方で、ルツボ内で蒸気圧の高い
水銀が析出するのを防止するために、ヒーターをルツボ
の上に設けている。また、特開平８−４０８００号公報
においては、ＴＨＭ法（トラベリング・ヒーター法）に
おいて、双晶の発生を防止し、得られる単結晶体の直径
を大きくするために、単結晶の材料の容器中へのセット
方法を検討しており、また、ルツボに空間域を設け、空
間域に落下した融液を使用し、単結晶を育成しており、
単結晶近傍の温度勾配は５−５０℃／ｃｍに限定されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】光アイソレーター素子
の分野においては、波長９８０ｎｍのポンプレーザーを
用いた光増幅器の発展に伴い、今後はベルデ定数の一層
大きな組成の単結晶が使用される可能性がある。こうし
た単結晶の組成は、例えばＭｎＴｅが１９ｍｏｌ％を占
める一方、ＨｇＴｅが１８−３５ｍｏｌ％を占めてお
り、ＨｇＴｅの含有量が大きいという特徴を有してい
る。しかし、このようにＨｇＴｅの割合が多い組成で
は、各ルツボ内において、所望の組成が得られる単結晶
の寸法、即ち、歩留りが低下する傾向があると共に、消
光比も全体として低下する傾向がある。この一方、光ア
イソレーター素子においては、一層高品質の単結晶が要
求されており、具体的には消光比が３５ｄＢ以上の単結
晶が要請されている。

【０００６】この一方、実際の量産プロセスにおいて、
融帯の生成状態を制御し、ルツボの全体にわたって、目
的の組成と高い消光比を有する単結晶を、高い歩留りで
育成することは困難であった。

【０００７】本発明の課題は、アイソレーター素子用単
結晶を製造するのに際して、単結晶の原料が充填されて
いる容器を熱処理して融帯を連続的に生成させることに
よって単結晶を育成する方法において、容器内において
所望組成の単結晶の歩留りを上昇させ、かつ３５ｄＢ以
上の消光比を有する高品質の単結晶の歩留りを上昇させ
ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、アイソレータ
ー素子用単結晶を製造する方法であって、単結晶の原料
が充填されたルツボを加熱処理装置に対して上下方向に
相対的に移動させることによってこのルツボ中の原料に
連続的に融帯を生成させ、融帯を固化させることによっ
てルツボ中に単結晶を連続的に生成させるのに際して、
ルツボがグラッシーカーボンからなることを特徴とす
る。

【０００９】本発明者は、所望組成の単結晶の歩留り、
更には３５ｄＢ以上の消光比を有する高品質の単結晶の
歩留りを向上させるために研究を重ねる過程で、原料を
収容し、融帯を生成させるためのルツボの種類によって
は、融帯の幅が広くなったり、単結晶化部の温度勾配が
５０℃／ｃｍ以下にまで低下してしまい、目的組成から
外れた領域の拡大、消光比の低下を招いていることを見
いだした。このように、融帯の幅が広く、あるいは単結
晶化部における温度勾配が低い場合には、Ｈｇ、Ｃｄ、
Ｔｅ等の蒸気圧の高い成分がルツボ内で蒸発し易くな
る。また、特にＨｇ−Ｔｅの割合が増大した組成範囲で
は、滞在時間（育成時間）が長くなり、Ｈｇの蒸発が顕
著となりやすい上、ＨｇＴｅ−Ｔｅの融帯が生成し易
く、この融帯生成温度はＨｇ−Ｔｅの融点６７０℃に近
いために、生成した単結晶や、これから単結晶化させる
べき多結晶材中からＨｇＴｅ−Ｔｅ成分が蒸発したりし
て、所望量を単結晶内に取り込むことができないものと
思われる。

【００１０】本発明者は、以上の知見に立ち、トラベリ
ングヒーター法によって容器中に連続的に融帯を生成さ
せ、単結晶を育成するのに際して、熱伝導度が２０Ｗ／
ｍ・Ｋ以下である材質によってルツボを形成することに
よって、所望組成を有する単結晶の歩留りを向上させ、
かつ、３５ｄＢ以上の消光比を有する単結晶の歩留りを
著しく向上させ得ることを見いだし、本発明に到達し
た。

【００１１】これによって、ルツボ中に生成する融帯の
幅を狭くし、単結晶化部における温度勾配を適切にでき
る。このように熱伝導率の低い材質をあえて使用するこ
とによって、融帯生成部と単結晶化部との間の温度購買
を急峻にでき、融帯の幅を狭く制御することができる。

【００１２】例えばパイロリティックボロンナイトライ
ドの熱伝導率は４０−７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、パイロリ
ティックカーボンの熱伝導率は１４０−４００Ｗ／ｍ・
Ｋであるが、融帯の幅の制御が難しく、融帯が広がって
しまう傾向があり、目的組成および消光比を有する単結
晶の歩留りが低下する。しかし、例えばグラッシーカー
ボンの熱伝導率は７Ｗ／ｍ・Ｋであるが、融帯の温度勾
配が急峻になりやすく、融帯の幅の制御が容易になる。

【００１３】ルツボの材質の熱伝導度は、２０Ｗ／ｍ・
Ｋ以下であることが特に好ましく、これによって、実用
上問題のない融帯幅の制御が可能である。

【００１４】ルツボの厚さは、０．５ｍｍ以上であるこ
とが好ましく、本発明の作用効果を奏する上で、２．０
ｍｍ以下とすることが特に好ましい。

【００１５】ルツボの材質は、特にグラッシーカーボン
が好ましい。グラッシーカーボンは、融帯と反応を起こ
すおそれもなく、例えばパイロリチックカーボンやパイ
ロリチックボロンナイトライドと比較して非常に低コス
トである。

【００１６】グラッシーカーボンとは、ガラス状炭素の
ことである。グラッシーカーボンからなるルツボを作製
するには、グラッシーカーボンからなる基材を研削して
ルツボの各構成部分を作製し、各構成部分を樹脂によっ
て接着し、焼結によって接着部を炭化させ、閉気孔の状
態とする。

【００１７】グラッシーカーボンは、熱硬化性樹脂を出
発原料としており、ガラスのように空気を透過しない性
質がある。また、非晶質の組織を有しており、特性は等
方的で扱いやすく、熱膨張係数が小さく（３．７×１０
^{- 6}／℃）、熱変形が少なく、熱容量が小さい。さらに
耐薬品性、耐蝕性、耐酸化性に優れている。また、研削
加工によって種々の形状の製品が製作可能である。グラ
ッシーカーボンの素材は、ガラス状炭素製品として、日
立化成株式会社によって製造されている。

【００１８】石英の熱伝導度は１．３Ｗ／ｍ・Ｋである
が、融帯と反応し、単結晶の内部にＳｉが不純物として
混入する可能性がある。

【００１９】また、本発明は、アイソレーター素子用単
結晶の原料中に連続的に融帯を生成させ、この融帯を固
化させることによって単結晶を生成させる、アイソレー
ター素子用単結晶の育成装置であって、単結晶の原料を
収容する容器、この容器に対して相対的に移動すること
によって原料中に連続的に融帯を生成させるための加熱
炉、および容器と加熱炉とを相対的に移動させるめの駆
動手段を備えており、加熱炉が少なくとも予熱部、融帯
生成部および単結晶化部を備えており、予熱部および融
帯生成部がそれぞれヒーターを備えており、単結晶化部
が、着脱可能な一つ以上の断熱材ユニットからなること
を特徴とする。

【００２０】グラッシーカーボンのように熱伝導率の低
い材質からなるルツボを使用した場合や、単結晶の原料
が潜熱の小さい材質である場合には、断熱材ユニットを
除去せず使用することによって、単結晶化部における温
度勾配が過度に大きくならないように制御することがで
きる。この温度勾配が例えば１２０℃／ｃｍよりも大き
くなると、ＨｇＴｅ−Ｔｅの融帯生成が不均一となり、
所望組成の単結晶の歩留りが低下したり、あるいはＨｇ
Ｔｅ−Ｔｅの成分が単結晶内に取り残され、単結晶内に
歪みを残留させ、消光比の低下を招く。

【００２１】これと共に、熱伝導率の比較的に高い材質
によってルツボを形成した場合、あるいは潜熱の大きい
単結晶原料に融帯を生成させる場合には、一つあるいは
複数の断熱材ユニットを取り除くことによって、融帯の
幅を狭くし、かつ単結晶化部における温度勾配を適度に
大きくし、所望組成と高い消光比を有する単結晶の歩留
りを向上させることができる。例えば単結晶化部におけ
る温度勾配が５０℃／ｃｍ未満となる場合には、前述し
たような問題が生ずる。

【００２２】また、断熱材ユニットの外周に、水冷装置
のような冷却装置を設置することによって、単結晶化部
における温度勾配を一層大きくする方向に調節すること
ができる。

【００２３】また、本発明は、アイソレーター素子用単
結晶の原料中に連続的に融帯を生成させ、この融帯を固
化させることによって単結晶を生成させる、アイソレー
ター素子用単結晶の育成装置であって、単結晶の原料を
収容する容器、容器に対して相対的に移動することによ
って原料中に連続的に融帯を生成させるための第一の加
熱炉および第二の加熱炉、容器と第一の加熱炉とを相対
的に移動させるための第一の駆動手段、および容器と第
二の加熱炉とを相対的に移動させるための第二の駆動手
段を備えており、第一の加熱炉が三ゾーン以上のヒータ
ーを備えており、第二の加熱炉と容器との間に第二の加
熱炉が設置されていることを特徴とする。

【００２４】第一の加熱炉と容器との間に、融帯を生成
させるための第二の加熱炉を設けることによって、第一
の加熱炉のみによって融帯を生成させる場合と比べて、
融帯の幅が狭くなるように制御することが可能になり、
これによって前述のようなＨｇＴｅ−Ｔｅなどの成分が
ルツボ内で蒸発したり、あるいは単結晶内に残留したり
するのを、容易に防止できるようになった。第一の加熱
炉のみによってルツボ内に融帯を生成させる場合には、
ルツボが広範囲にわたって加熱される傾向があるため
に、特にルツボを構成する材質の熱伝導率が高い場合
や、単結晶原料の潜熱が大きい場合には、融帯の幅を狭
くすることが難しい。

【００２５】熱伝導率の比較的に高いルツボの材質とし
ては、ボロンナイトライド、カーボン、パイロリチック
ボロンナイトライド、パイロカーボン、パイロリチック
カーボンコートを例示できる。

【００２６】パイロリチックボロンナイトライドとは、
熱分解型ボロンナイトライドのことであり、化学的気相
成長法によって窒化ホウ素層を複数層積層させて得た材
質である。パイロカーボンとは、熱分解型カーボンのこ
とであり、化学的気相成長法によってカーボン層を複数
層積層させて得た材質である。パイロリチックカーボン
コートとは、カーボン基材の上に厚さ２０−４０μｍの
熱分解型カーボンを被覆した材質のことであり、カーボ
ン基材の上に化学的気相成長法によってカーボン層を複
数層積層させて得られる。

【００２７】本発明の製造方法および装置は、各種の組
成系の単結晶に対して適用可能であり、例えばＨｇ−Ｃ
ｄ−Ｍｎ−Ｔｅ、Ｈｇ−Ｍｎ−Ｔｅ，Ｈｇ−Ｃｄ−Ｔ
ｅ，Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ，Ｈｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｚｎ−Ｔ
ｅ，Ｈｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ−Ｓｅ、Ｚｎ−Ｂｅ−Ｍｇ
−Ｓｅ−Ｔｅ等の２−６族化合物や、Ｇａ−Ａｌ−Ａｓ
−Ｐ，Ｉｎ−Ａｌ−Ａｓ−Ｐ等の３−５族化合物系の単
結晶に対して適用可能である。

【００２８】Ｈｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ系においては、Ｈ
ｇＴｅは５−３５ｍｏｌ％であるが、１８ｍｏｌ％以上
の場合に更に本発明が効果的である。ＭｎＴｅの割合
は、５−３０ｍｏｌ％であるが、２０ｍｏｌ％以上の場
合に更に本発明が効果的である。

【００２９】ルツボ内に充填、収容する原料としては、
多結晶体からなる原料が好ましいが、多結晶を生成する
前の金属粉末の混合物からなる原料も使用できる。

【００３０】好適な態様においては、容器が、原料が充
填されているルツボと、このルツボを収容し、密封して
いる密封部材とを備えている。

【００３１】以下、図面を参照しつつ、更に具体的な実
施例について述べる。

【００３２】図１は、本発明の一実施形態に係る装置を
示す模式的平面図であり、図２は、図１の装置の模式的
正面図である。図３（ａ）は、容器３０のルツボ１６中
に種結晶および原料を収容した状態を概略的に示す断面
図であり、図３（ｂ）は、ルツボ中の原料に融帯を生成
させている状態を概略的に示す断面図であり、図４
（ａ）は、ルツボ中に単結晶を生成させた後の状態を概
略的に示す断面図である。

【００３３】耐火物１の内側空間２内においては、各容
器７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ、７Ｆ内には、それぞ
れ単結晶の原料が充填されている。各容器に対して、そ
れぞれ対応する各加熱処理装置５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５
Ｄ、５Ｅ、５Ｆが設けられている。本実施形態では、各
加熱処理装置を２×３列に縦横に整列させたが、これら
の個数や配置形状は変更できる。

【００３４】昇降駆動装置４は、各加熱処理装置を、各
容器に対して上下方向に相対的に移動させるためのもの
である。本例では、昇降駆動装置４は、軸１０に対して
取り付けられており、図示しない駆動機構によって軸１
０を上下方向に移動可能になっている。

【００３５】昇降駆動装置４には、結合部材３が取り付
けられている。この結合部材３は、昇降駆動装置４への
取り付け部３ｇを備えている。結合部材３は、各加熱処
理装置５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆに対してそ
れぞれ取りつけられている取り付け部３ａ、３ｂ、３
ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを備えている。これらの各取り付
け部は、保持部３ｈを介して取り付け部３ｇに結合され
ている。各容器は、それぞれ固定軸８、９によって所定
箇所に固定されている。昇降駆動装置４を駆動すること
によって、各加熱処理装置を上下方向に移動させること
ができる。

【００３６】各加熱処理装置内には、それそれ加熱処理
領域６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆが生成してい
る。各加熱処理領域内に各容器を通過させ、各容器中の
原料に連続的に融帯を生成させ、この融帯を固化させる
ことによって容器中に単結晶を連続的に生成させる。

【００３７】各加熱処理装置は、例えば図２に示すよう
に、予熱部１２、融帯生成部１３、単結晶化部１４を備
えている。そして、各加熱処理装置が上方へと移動する
のにつれて、各容器内の原料に融帯が連続的に生成す
る。

【００３８】各容器は、例えば図３（ａ）に示す容器３
０のように、原料１７が充填されているルツボ１６と、
ルツボ１６を収容し、密封している密封部材１５とを備
えていることが好ましい。本例では、ルツボ１６は、育
成部分１６ｂ、拡張部分１６ａおよびこれらの連結部分
１６ｃを備えている。密封部材１５も、育成部分１５
ｂ、拡張部分１５ａおよびこれらの連結部分１５ｃを備
えている。１６ｄは、ルツボ１６の開口である。

【００３９】ここで、金属粉末の混合物からなる原料１
７をルツボの育成部分１６ｂおよび拡張部分１６ａに充
填し、単結晶を少なくとも育成部分１６ｂ中に生成させ
ることが好ましい。なぜなら、実際に単結晶を育成する
べきルツボにおいては、できる限りその直径を小さくす
ることによって、単結晶の融帯が安定して生成し、単結
晶の品質が、より一層安定する。ただし、ルツボの直径
を小さくするのにつれて、ルツボの中に単結晶の原料を
収容することが困難になる。この際、原料を拡張部分１
６ａから育成部分１６ｂへと向かって収容すると、ルツ
ボ中への原料の充填は容易になる。

【００４０】この後は、通常は、密封部材内を真空排気
し、真空封切りしてルツボを密封する。そして、粉末原
料１７をいったん溶融させ、クエンチして多結晶を作製
する。次いで、各加熱処理装置を上方へと移動させる
と、育成部分１６ｂ内の多結晶原料２０が下から順に加
熱され、図３（ｂ）に示すように融帯２１が生成する。
この融帯２１は、徐々に上方へと向かって移動する。

【００４１】最終的に単結晶が生成した後には、図４
（ａ）に示すように、ルツボ１６の育成部分１６ｂ内に
は単結晶２３が生成する。ここで、２つの破線Ｂで挟ま
れた領域内で、目的とする組成の単結晶が生成する。た
だし、種結晶に近い部分は、材料の相図に従った組成の
変化領域となり、その上部が、目的とする組成の均一な
領域となる。下側の破線Ｂの下には種結晶１８がある。
上側の破線Ｂの上には、溶融体と同様の組成を有する単
結晶４０が生成する。また、ルツボの連結部分１６ｃお
よび拡張部分１６ａ内には、通常は多結晶２２が生成す
る。通常は、粉末原料１７の表面Ａに比べて、多結晶２
２の表面の位置は下がる。

【００４２】こうしたルツボを使用すると、溶湯を補給
したときに単結晶２３内に気孔が発生しにくく、溶湯の
対流が盛んになり、組成偏析が一層抑制される。

【００４３】この後、育成部分１６ｂ内の単結晶２３の
組成の均一な領域のみを利用することが特に好ましい。
なぜなら、単結晶２３の生成の過程において、粉末原料
１７ないし多結晶２０内に含有されていた過剰な金属成
分は、ルツボ１６内で上方へと、即ち拡張部分１６ａ内
へと向かって移動する傾向があり、図４（ａ）において
多結晶２２内に偏在する傾向がある。従って、拡張部分
１６ａ内に生成した多結晶を捨て、育成部分１６ｂ内に
生成した単結晶２３を利用することによって、単結晶の
特性、特に光学的特性が、より一層安定する。

【００４４】このように、特に好適な態様においては、
ルツボが、主として単結晶を育成する育成部と、拡張部
と、育成部と拡張部とを連結する連結部とを備えてお
り、育成部の内側空間を横断面方向に切ってみたときの
直径が２−６ｍｍであり、特に好ましくは３−６ｍｍで
あり、拡張部の内側空間を横断面方向に切ってみたとき
の直径が４−２０ｍｍであり、特に好ましくは１０−２
０ｍｍである。

【００４５】これによって、加熱処理装置からの熱伝導
が向上し、多結晶原料内に順次に生成してくる融帯の状
態が安定し、異種結晶や組成偏析が抑制される。また、
ルツボ内への原料の充填量を少なくできることから、非
加圧条件で光学単結晶を育成できる。

【００４６】また、プレート状ないし板状の単結晶は、
例えば、偏光子を備えたファラデー素子の量産に利用で
きる。即ち、板状ないしプレート状の単結晶をファラデ
ー素子とし、このファラデー素子の表面に、ルチルやポ
ーラコア等の板状の偏光子を貼り合わせて接合体を得、
次いでこの接合体を切削し、切断することによって、多
数のチップを作製することができる。

【００４７】この場合には、前記と同様の理由から、容
器の内側空間の厚さを６ｍｍ以下とすることが更に好ま
しい。この厚さの下限は特に限定する理由はないが、少
なくとも最終製品の厚さ以上である必要があり、単結晶
のハンドリングし易さの観点からは１ｍｍ以上とするこ
とが好ましい。ルツボが、育成部と拡張部と連結部とを
備えている場合には、好ましくは、育成部の内側空間を
横断面方向に切ってみたときの厚さが１−６ｍｍであ
り、拡張部の内側空間を横断面方向に切ってみたときの
厚さが３−２０ｍｍである。また、ルツボの板状部分の
内側空間の幅については特に制限はないが、例えば１０
−８０ｍｍとすることができる。

【００４８】このように、ルツボの内側空間の横断面方
向の寸法を小さくし、あるいは薄くすることによって、
融帯の状態が安定し、異種結晶や組成偏析が抑制され、
この結果単結晶の組成が安定し、消光比が全体として向
上するものと思われる。

【００４９】こうした作用効果を奏する上で、図４に示
すように、拡張部１６ａの長さｍを２０−４０ｍｍと
し、連結部１６ｃの勾配長ｎを３−２０ｍｍ（特に好ま
しくは１０−２０ｍｍ）とし、育成部１６ｂの長さｐを
７０−２００ｍｍとすることが特に好ましい。

【００５０】また、ルツボ１６の最下部内に単結晶の種
結晶１８を収容し、次いで種結晶１８の上に粉末原料１
７を充填することが好ましい。これによって、各容器３
０内に生成する各単結晶２３の結晶方位が、一層均一化
する。

【００５１】また、ルツボ１６の育成部分１６ｂの少な
くとも一部を、ルツボ１６から切り出すことができる。
例えば、図４（ａ）に破線Ｂで示すように、筒状部分１
６ｂおよび単結晶２３を切断する。これによって、例え
ば図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すように、筒状被覆部分
２６と単結晶２３とからなる柱状体２４を得、柱状体２
４を光学材料として使用できる。この場合には、単結晶
２３の一対の端面２５の間に光を通すことができる。

【００５２】本発明では、このように単結晶生成領域に
おける容器の直径を小さくできることから、各容器３０
の内側に充填する粉末原料１７の重量は比較的に少な
い。従って、容器３０の加熱処理を非加圧条件下で実施
できる。

【００５３】融帯生成部の上下方向の長さは、５ｍｍ以
上とすることが好ましく、これによって融帯が安定して
生成し、再現性も高くなる。また、融帯生成部の長さ
は、３０ｍｍ以下とすることが好ましい。この理由とし
ては、ゾーンが長過ぎると、析出する組成の変化が緩慢
となるため、目的とする組成が得られる領域が少なくな
ることが挙げられる。

【００５４】予熱部および単結晶化部の上下方向の各長
さは、３０ｍｍ以上とすることが好ましく、これによっ
て気孔の発生が抑制され、結晶化速度が一層速くなる。
予熱部および単結晶化部の上下方向の各長さは、１００
ｍｍ以下とすることが好ましい。

【００５５】予熱部の温度は、融帯生成部の温度より５
０℃以上、３００℃以下の範囲で低く設定することが好
ましく、これによって多結晶体の粒成長が抑制され、か
つ組成偏析の原因となる水銀やカドミウムの多結晶体か
らの離脱も防止できる。また、単結晶化部の温度も７０
０℃以上、１０００℃以下とすることが好ましい。

【００５６】各容器ないし密封部材は、いずれも互いに
平行に延びるように固定されていることが好ましく、か
つ各容器の上側端部と下側端部との双方が固定されてい
ることが好ましい。これによって、融帯の揺らぎがなく
なり、異種結晶の発生も抑制される。このためには、例
えば図２に示す各固定軸８、９と各容器との結合点１１
において、ボールポイントネジによって３点または４点
で固定して、水平あるいは真円度を維持することが好ま
しい。

【００５７】また、本発明の一例においては、図５の模
式的断面図に示すように、図示しない昇降駆動装置の軸
３１に結合部材３２を取り付け、結合部材３２に、昇降
可能な加熱炉４０を取り付ける。一方、固定装置３８の
上端に容器３６を取り付ける。容器３６は、ルツボ単体
であってよく、ルツボと、ルツボを収容する密閉部材と
の組み合わせであってよい。

【００５８】加熱炉４０は、予熱部４０ａ、融帯生成部
４０ｂおよび単結晶化部４０ｃを備えている。加熱炉４
０の本体は断熱材からなる。予熱部４０ａは、断熱材の
凹部３４Ａに収容されたヒーター３５Ａからなる。融帯
生成部４０ｂは、断熱材の凹部３４Ｂに収容されたヒー
ター３５Ｂからなる。単結晶化部４０ｃは、複数個、例
えば４個の着脱可能な断熱材ユニット４１Ａ、４１Ｂ、
４１Ｃ、４１Ｄからなる。各断熱材ユニットは、例えば
図６に示すように円環形状をなしている。最下部の断熱
材ユニット４１Ｄは、ネジ等の締結具によって取り付け
可能となっており、実際に取り付ける断熱材ユニットの
個数を変更できるようになっている。図６においては、
断熱材ユニット４１Ｂと４１Ｃとを除去し、断熱材ユニ
ット４１Ａと４１Ｄとを取り付けた。３７は融帯であ
る。

【００５９】また、本発明においては、図７の模式的断
面図に示すように、昇降駆動装置４２に結合部材４３
Ａ、４３Ｂを取り付け、結合部材に、昇降可能な第一の
加熱炉４６を取り付ける。第一の加熱炉４６は、３ゾー
ン以上、例えば５ゾーンの加熱ゾーン４６ａ−４６ｅを
備えている。加熱炉４６の本体は断熱材からなる。各加
熱ゾーン４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅは、
それぞれ、断熱材の凹部３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４
Ｄ、３４Ｅに収容されたヒーター３５Ａ、３５Ｂ、３５
Ｃ、３５Ｄ、３５Ｅからなる。

【００６０】また、昇降駆動装置４４に結合部材４５を
取り付け、結合部材４５に、昇降可能な第二の加熱炉４
７を取り付ける。第二の加熱炉４７は、通常、断熱材
と、断熱材によって包囲されたヒーターからなる。この
具体的形態は特に限定されない。

【００６１】例えば図８に示すように、カバー５０の内
側に断熱材４９が包囲され、断熱材４９の内側空間にヒ
ーター４８が収容されている。

【００６２】以下、更に具体的な実験結果について述べ
る。（実験Ａ）図１〜図４を参照しつつ説明した前記方
法に従って、Ｈｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ系の組成を有する
単結晶からなる光学材料を育成した。具体的には、粉末
原料１７として、Ｃｄ、Ｍｎ、Ｈｇ−Ｔｅ合金およびＣ
ｄ−Ｔｅ合金を使用した。種結晶として、ＣｄＴｅの
（１１１）方位の結晶（直径３ｍｍ、長さ３０ｍｍ）を
使用した。密封部材１５の材質を石英ガラスとし、厚さ
を２ｍｍとした。ルツボ１６の育成部分１６ｂの内径を
３ｍｍとし、長さを３００ｍｍとした。ルツボ１６の拡
張部分１６ａの内径を５ｍｍとし、長さを５０ｍｍとし
た。ルツボ１６の材質を、厚さ１ｍｍのグラッシーカー
ボン（本発明例）、または厚さ１ｍｍのパイロリチック
ボロンナイトライド（比較例）とした。

【００６３】原料３００ｇを、調合後の組成がＨｇＴ
ｅ：２５ｍｏｌ％、ＭｎＴｅ：２０ｍｏｌ％、残部がＣ
ｄＴｅとなるように調合した。種結晶を容器中に投入し
た後、１５ｇの粉末原料をルツボ１６内に投入し、石英
製の密封部材の中にルツボを入れ、密封部材を密封し
た。

【００６４】２０本の密封部材を使用して各容器３０を
製造し、各容器３０を常圧電気炉内に収容し、５０℃／
時間で１１００℃まで温度を上昇させ、原料１７を溶解
させた。このとき、種結晶１８は、図に示さない冷却機
構により冷却して、溶解を防ぐ構造とした。また、昇温
により、内部に投入した粉末は溶融体となり、ちょうど
ルツボのテーパー部１６ｃの部分まで溶融体が形成され
る。次いで容器を急速に冷却し、多結晶原料２０を得
た。次いで、各容器３０を取り出し、図１、図２に示す
製造装置にセットした。

【００６５】ここで、各加熱処理装置の融帯生成部の内
径は１５ｍｍであり、長さは１０ｍｍであり、予熱部お
よび単結晶化部の長さは５０ｍｍである。加熱処理装置
は、円筒形状に成形された金属、合金またはセラミック
ス製の発熱体からなる。各容器３０の両端部を固定軸に
よって固定した。

【００６６】このようにして、２０本の各容器３０を所
定箇所に固定し、次いで常圧で加熱処理装置を５０℃／
時間で温度を上昇させた。融帯生成部の位置を種結晶１
８の上端に合わせてセットし、８０５℃にした。また、
予熱部および単結晶化部の温度を６００℃にした。この
時の予熱部と融帯生成部および単結晶化部と融帯生成部
の温度勾配は、それぞれ７５℃／ｃｍであった。この状
態で、２４時間保持し、次いで、９日間各加熱処理装置
の移動を継続した。育成終了後の降温は５０℃／時間で
行い、２０本の密封部材を取り出した。

【００６７】１本の密封部材からルツボを取り出した。
種結晶部分１８の上から２７０ｍｍの長さについて、組
成比率と消光比とを測定した。この結果、本発明例にお
いては、目的組成になっていた部分の長さは２４０ｍｍ
であり、消光比が３５ｄＢ以上になっていた部分の長さ
は２１０ｍｍであり、消光比が４０ｄＢ以上になってい
た部分の長さは１２０ｍｍであった。比較例において
は、的組成になっていた部分の長さは２３６ｍｍであ
り、消光比が３５ｄＢ以上になっていた部分の長さは１
５０ｍｍであり、消光比が４０ｄＢ以上になっていた部
分の長さは８０ｍｍであった。

【００６８】（実験Ｂ）実験Ａと同様にして単結晶を育
成した。ただし、図５、図６に示す製造装置および加熱
路を使用した。予熱部４０ａ、融帯生成部４０ｂ、およ
び断熱材ユニット４１Ａ−４１Ｄを構成する材質はアル
ミナウール質である。予熱部４０ａ、融帯生成部４０ｂ
の寸法は実験Ａと同じであり、断熱材ユニット４１Ａ−
４１Ｄの長さはそれぞれ２０ｍｍであった。

【００６９】この結果、グラッシーカーボン製のルツボ
を使用した場合には、目的組成になっていた部分の長さ
は２７０ｍｍであり、消光比が３５ｄＢ以上になってい
た部分の長さは２５０ｍｍであり、消光比が４０ｄＢ以
上になっていた部分の長さは１６０ｍｍであった。パイ
ロリチックボロンナイトライド製のルツボを使用した場
合には、目的組成になっていた部分の長さは２５０ｍｍ
であり、消光比が３５ｄＢ以上になっていた部分の長さ
は１９０ｍｍであり、消光比が４０ｄＢ以上になってい
た部分の長さは１２０ｍｍであった。

【００７０】（実験Ｃ）実験Ａと同様にして単結晶を育
成した。ただし、図７、図８に示す製造装置および加熱
路を使用した。加熱炉４６および４７を構成する断熱材
は、アルミナウール質であり、発熱体は白金である。各
加熱ゾーン４６ａ−４６ｅの長さは５０ｍｍであり、内
径は９０ｍｍであった。加熱炉４６の内側に加熱炉４７
を設置している。加熱炉４７の長さは３０ｍｍであり、
内径は３０ｍｍである。加熱炉４７の内側におけるルツ
ボ表面の温度は８０５℃とし、加熱炉４６の上端部と下
端部におけるルツボ表面の温度は６００℃にした。この
時の加熱ゾーン４６ｂ、４６ｄにおける温度勾配は、そ
れぞれ７５℃／ｃｍであった。

【００７１】この結果、グラッシーカーボン製のルツボ
を使用した場合には、目的組成になっていた部分の長さ
は２８０ｍｍであり、消光比が３５ｄＢ以上になってい
た部分の長さは２６０ｍｍであり、消光比が４０ｄＢ以
上になっていた部分の長さは１８０ｍｍであった。パイ
ロリチックボロンナイトライド製のルツボを使用した場
合には、目的組成になっていた部分の長さは２６０ｍｍ
であり、消光比が３５ｄＢ以上になっていた部分の長さ
は２４０ｍｍであり、消光比が４０ｄＢ以上になってい
た部分の長さは１４０ｍｍであった。

【００７２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、Ｈ
ｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ系等ののアイソレーター素子用単
結晶を製造するのに際して、単結晶の原料が充填されて
いる容器を熱処理して融帯を連続的に生成させることに
よって単結晶を育成する方法において、容器内において
所望組成の単結晶の歩留りを上昇させ、かつ３５ｄＢ以
上の消光比を有する高品質の単結晶の歩留りを上昇させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る製造装置を模式的に
示す平面図である。

【図２】本発明の一実施形態に係る製造装置を模式的に
示す正面図である。

【図３】（ａ）は、本発明で使用できる容器３０のルツ
ボ１６内に粉末原料１７が充填されている状態を模式的
に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の容器内の多結
晶２０を加熱処理している状態を模式的に示す断面図で
ある。

【図４】（ａ）は、ルツボ１６内に単結晶２３、多結晶
２２が生成している状態を模式的に示す断面図であり、
（ｂ）は、ルツボ１６の育成部分の切断によって得られ
た柱状体２４を示す断面図であり、（ｃ）は、図４
（ｂ）のＩＶｃ−ＩＶｃ線断面図である。

【図５】加熱炉４０の単結晶化部４０ｃを複数の断熱材
ユニット４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄによって構成
した育成装置を模式的に示す断面図である。

【図６】加熱炉４０の予熱部４０ａ、融帯生成部４０ｂ
および単結晶化部４０ｃを模式的に示す斜視図であり、
断熱材ユニット４１Ａ、４１Ｄが取り付けられ、断熱材
ユニット４１Ｂ、４１Ｃは除去されている。

【図７】第一の加熱炉４６および第二の加熱炉４７によ
って単結晶を育成している状態を模式的に示す断面図で
ある。

【図８】第二の加熱炉４７の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１耐火物３、３２、４３Ａ、４３Ｂ、４５結合
部材４、４２、４４昇降駆動装置５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、
５Ｄ、５Ｅ、５Ｆ加熱処理装置６Ａ、６Ｂ、６
Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ加熱処理領域７Ａ、７Ｂ、
７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ、７Ｆ、３０容器８、９固定
軸１０、３１軸１２、４０ａ予熱部１
３、４０ｂ融帯生成部１４、４０ｃ単結晶化部
１５密封部材１６ルツボ１６ａルツボ
１６の拡張部分１６ｂルツボ１６の育成部分
１７ルツボ内に投入されている粉末原料１８円
柱状の種結晶１９、２３単結晶２０多結晶
原料２１、３７融帯２２多結晶２４
柱状体３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄ、３５Ｅ
ヒーター４０加熱炉４１Ａ、４１Ｂ、４１
Ｃ、４１Ｄ断熱材ユニット４６第一の加熱炉
４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ加熱ゾー
ン４７第二の加熱炉

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶を製造する方法であって、前記単結晶の原料が充填されたルツボを加熱処理装置に
対して上下方向に相対的に移動させることによってこの
ルツボ中の原料に連続的に融帯を生成させ、この融帯を
固化させることによってルツボ中に単結晶を連続的に生
成させるのに際して、前記ルツボの材質の熱伝導度が２
０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする、単結晶の製
造方法。
【請求項２】前記ルツボの材質がグラッシーカーボンで
あることを特徴とする、請求項１記載の単結晶の製造方
法。
【請求項３】前記ルツボが、石英からなる密閉部材中に
密閉されていることを特徴とする、請求項１または２記
載の単結晶の製造方法。
【請求項４】前記ルツボが、主として前記単結晶を育成
する筒状の育成部と、筒状の拡張部と、前記育成部と拡
張部とを連結する筒状の連結部とを備えており、前記育
成部の内側空間を横断面方向に切ってみたときの直径が
２−６ｍｍであり、前記拡張部の内側空間を横断面方向
に切ってみたときの直径が４−２０ｍｍであることを特
徴とする、請求項１−３のいずれか一つの請求項に記載
の単結晶の製造方法。
【請求項５】前記ルツボが、板状の単結晶を主として育
成する育成部と、拡張部と、前記育成部と拡張部とを連
結する連結部とを備えており、前記育成部の内側空間を
横断面方向に切ってみたときの厚さが１−６ｍｍであ
り、前記拡張部の内側空間を横断面方向に切ってみたと
きの厚さが３−２０ｍｍであることを特徴とする、請求
項１−３のいずれか一つの請求項に記載の単結晶の製造
方法。
【請求項６】前記拡張部の長さが２０−４０ｍｍであ
り、前記連結部の勾配長が３−２０ｍｍであり、前記育
成部の長さが７０−４００ｍｍであることを特徴とす
る、請求項４または５記載の単結晶の製造方法。
【請求項７】前記単結晶が、Ｈｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ系
の化合物からなる光アイソレーター素子用の単結晶であ
ることを特徴とする、請求項１−６のいずれか一つの請
求項に記載の単結晶の製造方法。
【請求項８】単結晶の原料中に連続的に融帯を生成さ
せ、この融帯を固化させることによって前記単結晶を生
成させる、単結晶の育成装置であって、この単結晶の原料を収容する容器、この容器に対して相
対的に移動することによって前記原料中に連続的に融帯
を生成させるための加熱炉、および前記容器と前記加熱
炉とを相対的に移動させるための駆動手段を備えてお
り、前記加熱炉が少なくとも予熱部、融帯生成部および
単結晶化部を備えており、前記予熱部および前記融帯生
成部がそれぞれヒーターを備えており、前記単結晶化部
が、着脱可能な一つ以上の断熱材ユニットからなること
を特徴とする、単結晶の育成用の加熱炉。
【請求項９】前記単結晶化部を構成する前記断熱材ユニ
ットが複数設けられており、各断熱材ユニットが前記単
結晶の育成方向にみたときに１０−２０ｍｍの厚さを有
していることを特徴とする、請求項８記載の単結晶の育
成装置。
【請求項１０】前記断熱材ユニットの外周に、この断熱
材ユニットを冷却するための冷却装置が設けられている
ことを特徴とする、請求項８または９記載の単結晶の育
成装置。
【請求項１１】単結晶の原料中に連続的に融帯を生成さ
せ、この融帯を固化させることによって前記単結晶を生
成させる、単結晶の育成装置であって、この単結晶の原料を収容する容器、この容器に対して相
対的に移動することによって前記原料中に連続的に融帯
を生成させるための第一の加熱炉および第二の加熱炉、
前記容器と前記第一の加熱炉とを相対的に移動させるた
めの第一の駆動手段、および前記容器と前記第二の加熱
炉とを相対的に移動させるための第二の駆動手段を備え
ており、前記第一の加熱炉が３ゾーン以上のヒーターを
備えており、前記第二の加熱炉と前記容器との間に前記
第二の加熱炉が設置されていることを特徴とする、単結
晶の育成装置。
【請求項１２】前記第一の加熱炉を移動させるための第
一の駆動手段と、前記第二の加熱炉を前記第一の加熱炉
とは独立して移動させるための第二の駆動手段とを備え
ていることを特徴とする、請求項１１記載の単結晶の育
成装置。