JP2000072586A - 単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】軸方向の温度分布を調節して融液内の対流を抑
え、融液内の温度変動を抑制することによって、結晶内
における結晶特性の変化のない（例えば光学的屈折率の
変化のない）結晶を製造することが可能な単結晶製造装
置を提供すること。 【解決手段】ルツボ３と、耐熱性の円筒多重管７ａ，７
ｂよりなるルツボ支持台７とを有し、ルツボ３の底部外
面の中心に向かって開口するガス供給管８を、円筒多重
管の最内管７ｂ内に設け、さらに、最内管７ｂの内径よ
り小さな外径を有し、ガス供給管８の外径より大きな内
径を有する円筒９を、ルツボ３底部にルツボ３と一体的
に設け融液内の温度変動を抑えるようにしてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、引き上げ法による単結
晶製造装置に係る。より詳細には、例えば、酸化物単結
晶（より具体的には、例えばニオブ酸ストロンチウム・
バリウム（ＳＢＮ））などの光学単結晶の製造に際し
て、融液内の温度変動に基づく単結晶の組成変化から生
ずる結晶特性の劣化、例えばｍ屈折率の変化などの光学
的特性の劣化、の問題を解決することが可能な単結晶製
造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、高品質が要求される例えば光学単
結晶の成長には引き上げ法が用いられてきた。引き上げ
法における結晶引き上げ時に、融液の温度が変動すると
偏析現象により結晶組成が微妙に変化し、その結果、光
学的屈折率も変化してしまうことが知られている。酸化
物単結晶であるＳＢＮ結晶もその例である。

【０００３】ＳＢＮ結晶を光素子に用いるには、屈折率
の変動を１０^-5以下に抑えることが望ましいとされてい
るが、そのためには融液の温度変動を出来る限り小さく
する必要がある。温度変動を引き起こす主な要因は２つ
ある。１つは融液およびルツボを囲む雰囲気ガスの温度
変動によるものであり、もう１つは融液内の対流による
ものである。

【０００４】前者は加熱源の温度変動を抑え、加熱炉内
を密閉に近い状態にして外気の影響を遮断し雰囲気ガス
の乱流を抑えることによって防止できる。この防止策は
すでに結晶引上げ装置に一般に採用されている。

【０００５】一方、後者による融液の温度変動は融液中
の対流を止めることで防止できる。ＳＢＮ結晶では、融
液の深さを浅くするか、または融液中に円形の金属板を
入れることによって実効的に対流の影響を弱める方法が
試みられた。しかし、成長界面とルツボ底または金属板
との距離を十分小さく（通常、数ｍｍに）しなければな
らず、結晶成長が困難で実用的ではなかった。

【０００６】また、Ｓｉなどの半導体結晶では融液を磁
場中に置くことで、対流を止め温度変動が抑えられてい
る。しかし、この方法は融液が電気的な良導体であるこ
とが必要であり、光学結晶は一般に高抵抗体であること
から対流防止効果が弱く、強磁場を発生する大がかりな
装置が必要となり実用的でなかった。

【０００７】したがって、対流による温度変動に対して
は十分な対策が取られていなかった。

【０００８】このため、光学的屈折率変化のないＳＢＮ
結晶が得られず、光デバイス特性にバラツキが生じ、実
用的な応用が実現されていないのが現状であった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術で光学結晶
を成長させた場合、融液内の温度変動を小さく抑えられ
ないために、結晶内に温度変動に対応した結晶特性の変
化（結晶が光学結晶の場合は光学的屈折率の変化）が生
じた。

【００１０】このため、例えば光学結晶の場合には、光
デバイスに利用して十分な信頼性が得られないという問
題を有している。

【００１１】本発明は、軸方向の温度分布を調節して融
液内の対流を抑え、融液内の温度変動を抑制することに
よって、結晶内における結晶特性の変化のない（例えば
光学的屈折率の変化のない）結晶を製造することが可能
な単結晶製造装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の単結晶製造装置
は、ルツボと、耐熱性の円筒多重管よりなるルツボ支持
台と、を有する引き上げ法による単結晶製造装置におい
て、該ルツボの底部の中心のみを局所的に冷却するため
の手段を設け融液の温度変動を抑えるようにしたことを
特徴とする。

【００１３】本発明の単結晶製造装置は、ルツボと、耐
熱性の円筒多重管よりなるルツボ支持台と、を有する引
き上げ法による単結晶製造装置において、該ルツボの底
部外面の中心に向かって開口するガス供給管を、該円筒
多重管の最内管内に設け、さらに、前記最内管の内径よ
り小さな外径を有し、前記ガス供給管の外径より大きな
内径を有する円筒を、前記ルツボ底部に前記ルツボと一
体的に設け融液の温度変動を抑えるようにしたことを特
徴とする。

【００１４】本発明の単結晶製造装置は、ルツボと、耐
熱性の円筒多重管よりなるルツボ支持台と、を有する引
き上げ法による単結晶製造装置において、該円筒多重管
の最内管内に、上下動可能なシリンダーを設け融液の温
度変動を抑えるようにしたことを特徴とする。

【００１５】本発明の結晶製造装置は、ルツボと、耐熱
性の円筒多重管よりなるルツボ支持台と、を有する引き
上げ法による単結晶製造装置において、該円筒多重管の
最内管内を外部に連通せしめるとともに、該最内管の内
部にヒータを設け融液の温度変動を抑えるようにしたこ
とを特徴とする。

【００１６】

【作用】前記の課題を解決する具体的手段として本発明
は以下の方法を用いた。まず、通常の融液内の温度分布
は、径方向に対してはルツボ壁より中心方向に向けて温
度が低く、軸方向に対してはルツボ下部より融液表面方
向に向けて温度が低くなっている。したがって、融液中
に生じる対流はルツボ壁近くで上昇し、ルツボ中心で下
降している。

【００１７】そこで、本発明では、ルツボ底部の中心の
みを局部的に冷却するための手段を設けることにより、
ルツボ中心の軸方向の温度勾配が緩くなるよう調節して
融液中央部の温度を均一に近い状態にする。この結果、
対流の生じる範囲がルツボ壁近くのみに留まり融液中央
部には存在しなくなる。こうして、融液中央部の温度変
動は抑止される。

【００１８】なお、ＳＢＮ結晶のような熱伝導率が小さ
い材料の場合には、潜熱の放出は結晶側ではなく液側に
放出される。ルツボ底部を冷却することは、この放出さ
れた潜熱を吸収する効果を有するので、結晶成長を継続
させる駆動力となるためより有効である。

【００１９】以上の手段および作用によって、融液の温
度変動を抑えて結晶特性の変化（例えば結晶屈折率の変
化）のない結晶を製造することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】ルツボ底部の中心のみを局部的に
冷却するための手段としては、例えば、次の技術があげ
られる。

【００２１】まず、ルツボの底部外面の中心に向かっ
て開口するガス供給管を、該円筒多重管の最内管内に設
け、さらに、前記最内管の内径より小さな外径を有し、
前記ガス供給管の外径より大きな内径を有する円筒を、
前記ルツボ底部に前記ルツボと一体的に設ける技術であ
る。

【００２２】本技術では、ガス供給管から冷却ガスをル
ツボの底部外面の中心に向かって吹き付ける。もし、円
筒がルツボと一体的に設けられていない場合には、最内
筒のの上端とルツボ底部の外面との間にある隙間を冷却
ガスが流れてしまい、中心だけではなくルツボ全体が冷
却ガスにより冷却されてしまう。

【００２３】しかるに、円筒がルツボ底部にルツボと一
体的に設けてあると、ガス供給管の開口から吹き出た冷
却ガスは、ルツボ底部に当たり、ルツボ底部外面に沿っ
て左右に流れるが、円筒の内側壁に当たり方向を変え、
円筒内側壁と最内管外壁との間を通って下方に流れ、外
部に排出される。これによりルツボ底部の円筒の内径に
対応部分のみを局部的に冷却することができる。

【００２４】かかる技術により、融液内の径方向に中央
部が低く均一で、周辺部で急激に高くなるように温度勾
配が形成できる。

【００２５】最内管の内径としては、ルツボの半分が好
ましく、１０〜２０ｍｍがより好ましい。

【００２６】ガス供給管の内径としては、ルツボの半分
が好ましく、３〜１０ｍｍがより好ましい。かかる径範
囲とすることにより、より一層効果的に融液内の径方向
に中央部が低く均一で、周辺部で急激に高くなるように
温度勾配が形成でき、ひいては結晶特性の変化がより少
ない単結晶を製造することができる。

【００２７】ガス供給管から供給するガスとしては、例
えば、空気、アルゴン、ヘリウムガス等のガスを用いれ
ばよい。冷却ガスは使用上便宜の点からは室温において
供給すればよいが、ガス温度を適宜制御してもよい。

【００２８】なお、冷却ガスを外部に排出するために
は、円筒多重管の側部に孔Ａを設けておけばよいが、最
内管の上下端を解放しておき、そこから冷却ガスを外部
に排出する構造としてもよい。

【００２９】他の技術としては、円筒多重管の最内管
内に、上下動可能なシリンダーを設ける技術である。

【００３０】まず、シリンダーを最内管内の上方に位置
せしめた場合には、最内管において上部から下部への熱
の流れが遮断されている。一方、シリンダを下方に移動
させると熱の流れは遮断されず最内管中の中心軸におけ
る温度分布は下部が冷却されれ、ルツボ下部より開放端
に向けて温度が低下する。これによりルツボ底部の中心
のみが局部的に冷却される。

【００３１】なお、融液の対流は、結晶引き上げ中の結
晶の直径の変化中に生じるため、結晶の変化中にシリン
ダの下方への移動を行えばよい。

【００３２】さらに他の技術としては、円筒多重管の
最内管内を外部に連通せしめるとともに、該最内管の内
部にヒータを設ける技術である。

【００３３】円筒多重管の最内管が外部に連通せしめて
いるため、ルツボ底部外面の最内管に対応する部分は他
の部分に比べて局部的に冷却される。ただ、最内管を外
部に連通せしめただけでは、外部の外気による温度変動
の影響を受けるため、必要に応じてヒータをオンするこ
とにより熱を補完して温度変動を抑える。

【００３４】

【実施例】（実施例１）図１に実施例１に係る単結晶製
造装置を示す。

【００３５】本実施例の結晶製造装置は、ルツボ３と、
耐熱性の円筒多重管７ａ，７ｂよりなるルツボ支持台７
とを有し、ルツボ３の底部外面の中心に向かって開口す
るガス供給管８を、円筒多重管の最内管７ｂ内に設け、
さらに、最内管７ｂの内径より小さな外径を有し、ガス
供給管８の外径より大きな内径を有する円筒９を、ルツ
ボ３底部にルツボ３と一体的に設けてある。

【００３６】以下、より詳細に本実施例を説明する。本
例ではＣｅドープのＳＢＮ単結晶の引き上げに適用した
例を示す。

【００３７】図１において、１および２は上下２ゾーン
の縦型加熱炉の抵抗加熱ヒーターであって、上下のヒー
ター温度を調整して縦方向の温度勾配を設定する。

【００３８】縦方向の温度勾配を１０〜３０℃／ｃｍに
設定した。そのとき、径方向の温度勾配はその０．５〜
１倍で２０℃／ｃｍ以下の勾配となった。

【００３９】３は直径１０ｃｍの白金製ルツボであり、
４はＳＢＮ単結晶の調和溶融組成を持つ融液であって温
度１４５０〜１６００℃、深さ２０〜３０ｍｍであり、
５は成長中のＳＢＮ単結晶である。６は単結晶引き上げ
棒であって、最初にＳＢＮ種結晶を結びつけて融液４に
接触させ融液温度を調節しながら矢印Ｒ，Ｘの方向に回
転と引き上げを行うと単結晶が引き上がる。

【００４０】回転速度は結晶径に合わせて３〜３０ｒｐ
ｍ、引き上げ速度は０．１〜１０ｍｍ／時とした。７は
セラミックス製の耐熱性の円筒２重管であってルツボ３
を支持するルツボ支持台を構成している。本例では２重
円筒管７ａ，７ｂの例を示している。もちろん３重、４
重円筒管でもよい。また、本例では、２重円筒管の最内
管７ｂの内径を２０ｍｍとしている。

【００４１】８は冷却ガスのガス供給管であって、ルツ
ボ３の底部外面の中心に向かって開口している。ガス供
給管の開口の径は３〜４ｍｍとした。

【００４２】９はルツボ３と一体化した白金製の円筒で
ある。本例ではその外径を最内管７ｂの内径（２０ｍ
ｍ）より若干小さくしてある。従って、ルツボ３をルツ
ボ支持台７に載置する際には、円筒９を最内管７ｂには
め込めば、最内管７ｂが円筒９の案内となり、位置ずれ
を招くことなくルツボ３をルツボ支持台７に容易に載置
することができる。従って、炉内におけるルツボ３の左
右方向の位置ずれに起因する融液の不均一加熱を防止す
ることができる。

【００４３】なお、本例では、ガスを外部に排出するた
めに、円筒多重管７ａ，７ｂの側部に孔Ａを設けてあ
る。

【００４４】ガス供給管８の開口より冷却ガスをルツボ
３の底部外面の中心に吹き付けると、吹き出たガスは円
筒９によって方向転換され、円筒９の側壁に沿って下方
に流れ、孔Ａを通過して炉内に排出された。

【００４５】なお、１０は熱遮断用の耐熱性繊維であ
る。図１に示す装置を用いてＣｅドープのＳＢＮの結晶
成長を行った。

【００４６】まず、ガス供給管８から、０、１０、１５
Ｌ／ｍｉｎ（リットル／分）の流量で冷却ガスを流し、
それぞれの流量における融液表面近傍の温度変動抑制の
結果を測定した。その結果を図２に示す。

【００４７】図２に示すように、温度変動はガス冷却な
しの場合は±１．５℃であった。しかし、流量の増加と
伴に表面温度は低下するが、温度変動は小さくなってい
た。すなわち、融液中央部の温度変動をガス冷却により
±１．５℃から±０．３℃以下に抑えることができた。
この結果、光学的屈折率変化のないＣ軸方位のＳＢＮ単
結晶を再現性良く製造することができた。

【００４８】本実施例の装置を用いることにより、Ｃ軸
方位のＣｅドープのＳＢＮ結晶引き上げに用いた。得ら
れた結晶はＣ軸に平行に２ｍｍ厚にスライスして４０ｍ
ｍ×４０ｍｍサイズの板状に加工し、両面研磨したもの
をデジタルホログラムメモリの記録媒体として使用し
た。この結晶は屈折率変化が１０^-5以下と小さく、低温
度勾配下で製造したため結晶性およびフォトリフラクテ
ィブ特性も良好であるので、読込みおよび書込みエラー
の少ない高密度の記録装置が実現できた。

【００４９】（実施例２）図３に実施例２に係る単結晶
製造装置を示す。本例の単結晶製造装置は、ルツボ３
と、耐熱性の円筒多重管よりなるルツボ支持台７とを有
し、円筒多重管７ａ，７ｂの最内管１１内に、上下動可
能なシリンダー１１を設けてある。

【００５０】以下、より詳細に説明する。図３において
１１は耐熱性の上下可動のシリンダーであり、７ｂは耐
熱性のルツボ支持７を構成する円筒多重管の最内管であ
る。本実施例では円筒ルツボ支持台７を構成する最内管
７ｂの下部を開放することにより下部雰囲気を冷却し、
かつ内側に挿入した耐熱性の可動のシリンダー１１の位
置を上下に変化させてルツボ底部の温度を調節した。

【００５１】原理を図３で脱明する。まず、シリンダー
１１がない場合の最内管７ｂ内の中心軸における温度分
布は下部が冷却されているため、ルツボ下部より開放端
に向けて温度が低下している。

【００５２】ここに、シリンダー１１を入れると上部か
ら下部への熱の流れが遮断されるので、図３に示すＡ１
の位置にすると右の３の温度分布となり、Ａ２の位置に
すると４の温度分布となり、数十℃の温度低下が生じ
る。

【００５３】このＡ１およびＡ２の位置を調整すること
により、ルツボ底の温度を実施例１と同様に調節でき
た。したがって、融液はルツボ直上を中心に局所的に冷
却されるので、融液内の径方向に中央部が低く均一で、
周辺部で急激に高くなるように温度勾配が形成できた。

【００５４】このようにして融液中央部の温度変動を抑
えることができた。この結果、光学的屈折率変化のない
Ｃ軸方位のＳＢＮ単結晶を再現性良く製造することがで
きた。

【００５５】（実施例３）図４に実施例３に係る単結晶
結晶製造装置を示す。本実施例の単結晶製造装置は、ル
ツボ３と、耐熱性の円筒多重管７ａ，７ｂよりなるルツ
ボ支持台７とを有し、円筒多重管の最内管７ｂ内を外部
に連通せしめるとともに、最内管７ｂの内部にヒータ１
３を設けた。

【００５６】図４において、１３は小型ヒーターで最内
管７ｂ内に挿入されている。このヒーターの温度を変化
させることにより実施例２の可動シリンダーと同じ効果
が実現できた。したがって融液はルツボ直上を中心に局
所的に冷却されるので、融液内の径方向に中央部が低く
均一で、周辺部で急激に高くなるように温度勾配が形成
できた。このようにして融液中央部の温度変動を抑える
ことができた。

【００５７】この結果、光学的屈折率変化のないＣ軸方
位のＳＢＮ単結晶を再現性良く製造することができた。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明はルツボ下
部を局部的に冷却する簡便な方法により、ルツボ中心の
軸方向温度勾配を緩くなるよう調節して融液中央部の温
度を均一に近い状態にした結果、対流の生じる範囲がル
ツボ壁近くのみに留まり融液中央部には存在しないの
で、融液中央部の温度変動を±０．３℃以下に抑制する
ことがで、結晶特性の変化が極めて小さな単結晶を製造
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に係る単結晶製造装置の断面図であ
る。

【図２】実施例１における温度変動抑制効果を示すグラ
フである。

【図３】実施例２に係る端化粧製造装置の断面及びシリ
ンダ位置による温度変化を示すグラフである。

【図４】実施例３に係る単結晶製造装置の断面図であ
る。

【符号の説明】

１，２ 上下２ゾーンの縦型加熱炉の抵抗加熱ヒータ
ー、 ３ 白金製ルツボ、 ４ ＳＢＮの融液、 ５ 成長中のＳＢＮ単結晶、 ６ 単結晶引き上げ棒、 ７ ルツボ支持台、 ７ａ，７ｂ 円筒多重管 ７ｂ 最内管、 ８ ガス供給管、 ９ 円筒、 １０ 熱遮断用の耐熱性繊維、 １１ 耐熱性の上下可動のシリンダー、 １２ 耐熱性の円筒ルツボ支持台、 １３ 小型ヒーター。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八木 生剛 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電 信電話株式会社内 (72)発明者 小野 道雄 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電 信電話株式会社内 (72)発明者 笹浦 正弘 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電 信電話株式会社内 (72)発明者 今井 欽之 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電 信電話株式会社内 (72)発明者 館 彰之 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電 信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BC31 BC33 CF00 EA01 EG01 EG20 EH07 NC05 NF05 PA00 PD11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ルツボと、 耐熱性の円筒多重管よりなるルツボ支持台と、 を有する引き上げ法による単結晶製造装置において、 該ルツボの底部の中心のみを局所的に冷却するための手
   段を設け融液の温度変動を抑えるようにしたことを特徴
   とする単結晶製造装置。
2. 【請求項２】 ルツボと、 耐熱性の円筒多重管よりなるルツボ支持台と、 を有する引き上げ法による単結晶製造装置において、 該ルツボの底部外面の中心に向かって開口するガス供給
   管を、該円筒多重管の最内管内に設け、 さらに、前記最内管の内径より小さな外径を有し、前記
   ガス供給管の外径より大きな内径を有する円筒を、前記
   ルツボ底部に前記ルツボと一体的に設け融液の温度変動
   を抑えるようにしたことを特徴とする単結晶製造装置。
3. 【請求項３】 ルツボと、 耐熱性の円筒多重管よりなるルツボ支持台と、 を有する引き上げ法による単結晶製造装置において、 該円筒多重管の最内管内に、上下動可能なシリンダーを
   設け融液の温度変動を抑えるようにしたことを特徴とす
   る結晶製造装置。
4. 【請求項４】 ルツボと、耐熱性の円筒多重管よりなる
   ルツボ支持台と、 を有する引き上げ法による単結晶製造装置において、 該円筒多重管の最内管内を外部に連通せしめるととも
   に、該最内管の内部にヒータを設け融液の温度変動を抑
   えるようにしたことを特徴とする結晶製造装置。