JP2000247782A - 単結晶の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 引き上げ法での単結晶の製造において、(1)
引き上げ機の実質稼動率の向上による生産性の大幅向
上、(2) 貴金属部材の寿命の大幅向上、耐火物部材の寿
命の大幅向上、および冷却過程での単結晶のクラックフ
リー率の向上による製造コストの低減、をはかること。 【解決手段】 第一育成炉１内で貴金属るつぼ５内に収
容された単結晶原料の融液に種結晶を接触させて融液か
ら単結晶を引き上げる際に、引き上げられた単結晶を第
一育成炉内で保温炉に収容し、この状態で第二育成炉２
に移動させ、ここで徐冷させる。貴金属るつぼ５には、
実質的に第一育成炉１内の温度を低下させることなく単
結晶原料を補給して溶融させ、次の単結晶引き上げを行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、るつぼ内の溶融原
料より単結晶を引き上げる単結晶の製造方法および製造
装置に係り、特に弾性表面波素子や光学素子の基板とし
て用いられるタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃ ）単結
晶やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）単結晶のような
酸化物単結晶製造の貴金属るつぼの改鋳コストを低減さ
せるとともに生産性を向上させて単結晶の生産コストを
低減させ、併せて単結晶の割れを減少させた単結晶の製
造方法および製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に単結晶は、窒素やアルゴン等の不
活性ガス雰囲気とした育成炉内に単結晶原料を収容した
るつぼを設置し、引上げ軸の先端に固定した種結晶をる
つぼ内の融液に接触させ、引き上げ軸を回転し引き上げ
ながら単結晶を育成するチヨクラルスキー法により製造
されている。

【０００３】また、夕ンタル酸リチウムやニオブ酸リチ
ウム等の酸化物単結晶は融点が高いことから、チヨクラ
ルスキー法に使用するるつぼとしては、白金、白金一ロ
ジウムあるいはイリジウムのような貴金属るつぼが用い
られている。

【０００４】これらの酸化物単結晶の引き上げにおいて
は、るつぼ内に収容した単結晶原料の融液の半分程度が
引き上げられて消費された状態で、引き上げられた単結
晶が育成炉内で育成炉とともに徐冷された後取り出され
る。

【０００５】そして、るつぼ内に残った固化した単結晶
原料には、引き上げで消費した分の粉末状の単結晶原料
が追加され再度溶融されて次の引き上げが行われてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の方法
では、るつぼ内に残つた融液を固化させるとるつぼに変
形が生じ、単結晶原料の溶融、固化を繰り返すにつれて
るつぼの変形が甚だしくなり、変形がひどくなったとこ
ろでるつぼを改鋳し作り直さなくてはならないという問
題があった。すなわち、貴金属はそれ自体高価な材料で
あるが、改鋳費用も高価であり、この改鋳費用が単結晶
製造のコストを上昇させる要因の一つとなっていた。

【０００７】また、昇温−冷却のヒートサイクルを繰り
返すことにより、引き上げ炉内の保温材として用いてい
る耐火物もヒートシヨック割れが生じやすくなり、耐火
物の寿命も短くなってしまい、これも、単結晶製造のコ
スト上昇要因となっていた。さらに、単結晶引き上げ終
了後の結晶の冷却工程は、単結晶が冷却中の熱応力によ
り割れ易いため通常１日程度あるいはそれ以上の長時間
を要しており、結晶引き上げ装置の稼働率を下げて生産
性を落とす原因となっていた。

【０００８】さらにまた育成結晶の冷却を引き上げ炉内
で行うため、冷却中の結晶には炉内温度分布に対応する
熱応力がかかるため、均一な温度分布で結晶冷却を行う
場合に比べれば、結晶が割れ易い、という問題があっ
た。

【０００９】本発明はかかる従来の難点を解消すべくな
されたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の単結晶の製造方
法は、高温の第１の領域内で貴金属るつぼ内に収容され
た単結晶原料の融液に種結晶を接触させて前記融液から
単結晶を引き上げる工程と、前記引き上げられた単結晶
を第１の領域内で可動の保温炉に収容する工程と、前記
可動の保温炉に収容された単結晶を前記第１の領域より
は温度が低く環境温度よりは温度の高い第２の領域に移
動して徐冷する工程と、前記貴金属るつぼ内に前記第１
の領域の温度を実質的に下げることなく単結晶原料を補
給して溶融する工程とを有し、以上の工程を繰り返すこ
とにより前記第１の領域の温度を実質的に下げることな
く繰り返し単結晶の引き上げを行うことを特徴とする。

【００１１】このように、貴金属るつぼ内の単結晶原料
の融液を固化させずに、単結晶原料が補給されて次の引
き上げが行われるので、貴金属るつぼに変形が生じるこ
とがなく、長期に亙って使用可能となる。

【００１２】また、単結晶を取り出すたびに昇温−冷却
のヒートサイクルが繰り返されることがなくなるので、
引き上げ炉内の保温材の耐火物のヒートショック割れが
なくなる。

【００１３】さらに、単結晶を取り出すために第１の領
域の温度を下げる必要がなくなるので、引き続いて単結
晶の引き上げを行うことが可能となる。

【００１４】また、単結晶の冷却を保温炉内で行うた
め、冷却中の結晶に炉内温度分布に対応する熱応力がか
かることがなくなる。

【００１５】育成された単結晶を保温炉に収容した状態
で、直ちにただちに第２の領域に移動させることによ
り、単結晶は第２の領域においても第１の領域で徐冷し
たのと同様の冷却速度で徐冷することが可能である。

【００１６】また、第１の領域の温度を下げることなく
単結晶を第１の領域から第２の領域に移動させることに
より、るつぼ内に歪み残りの単結晶原料の融液を固化さ
せることなく、るつぼに単結晶原料を補給することが可
能になり、単結晶原料の溶融後引き続いて単結晶の引き
上げを行うことができ、単結晶製造の生産性が向上す
る。

【００１７】前記第２の領域は、一般に第１の領域の上
方に位置しており、育成された単結晶は保温炉に収容さ
れた状態で第２の領域に移動させることができる。

【００１８】第１の領域はるつぼが配置される高温の領
域であり、第２の領域は高温ではあるが第１の領域より
低い温度の領域とされている。

【００１９】第１の領域と第２の領域間には開閉可能な
遮蔽扉が配設させることができる。この開閉可能な遮蔽
扉は、るつぼへの原料の投入時と原料の溶融時は閉鎖し
ておくことが望ましい。このように、第１の領域と第２
の領域とを遮蔽扉で閉鎖しておくことにより、第１の領
域の温度が低下するのを防ぐことができる。

【００２０】本発明に使用される保温炉は、育成された
単結晶を外側から間隔をおいて包囲する形状とされ、例
えば下方が開放された釣り鐘型や単結晶を両側から挟み
込む二つ割形状とすることができる。このような保温炉
は、例えば耐熱金属製または耐熱金属製の外殻の内面に
ロックウールのような断熱材を内張りして構成される。
好ましくは、保温炉には所定の温度に保持する温度調
節装置が設けられる。そして、単結晶収容時の保温炉の
温度は、単結晶原料の融液の温度をＴm °Ｋとしたと
き、（０．７〜１）Ｔm °Ｋの範囲に設定される。

【００２１】この保温炉には独自の移動機構を設けるこ
とができる。このような保温炉では、第１の領域におい
て単結晶の外周を保温炉で覆った後、単結晶の引き上げ
軸を上昇させて第２の領域に移動させる際、保温炉も単
結晶の移動に同期させて移動させ、単結晶を保温炉で包
囲した状態のまま第１の領域から第２の領域へ移動させ
ることができる。

【００２２】以上説明したように、引き上げられた単結
晶は、第１の領域内において保温炉内に収容され、保温
炉内の温度分布を均一な状態として第２の領域へ移動さ
れ、次いで外部へ搬出されるが、その過程を通じて単結
晶は必要な時間をかけて徐冷され割れのない単結晶が得
られる。

【００２３】本発明は、特に弾性表面波素子や光学素子
の基板として用いられるタンタル酸リチウム（ＬｉＴａ
Ｏ₃ ）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）のような融
点の高い酸化物単結晶の製造に好適している。

【００２４】本発明の単結晶製造装置は、内部を高温雰
囲気に保持する育成炉と、前記育成炉内に配置された貴
金属るつぼと、前記貴金属るつぼに収容された単結晶原
料の融液より単結晶を引き上げる引上げ軸と、前記育成
炉内で上下動可能とされ、かつ前記育成炉外へ取り出し
可能に構成された前記単結晶を覆う保温炉と、前記貴金
属るつぼに前記育成炉外から前記単結晶原料を供給する
装置とを具備してなることを特徴とする。

【００２５】育成炉は、単結晶を引き上げ成長させる高
温の第１育成炉と、第１育成炉の上部に配置された、保
温炉と保温炉内に収容された単結晶を一旦収容するため
の第２育成炉の上下２室構造に構成することが好まし
い。このように構成することにより、単結晶取り出し時
における貴金属るつぼと第１育成炉の温度の低下を防ぐ
ことができる。

【００２６】また、第一育成炉と第二育成炉間には、第
一育成炉と第二育成炉を仕切るためのゲートバルブを設
けることがより望ましい。このゲートバルブは、第一育
成炉から第二育成炉へ保温炉に収容された単結晶を搬出
する際閉鎖される。

【００２７】第一育成炉内に配置される貴金属るつぼの
上部には、保温筒が同軸的に設けられるが、その保温筒
の直上部に移動式の隔離板を設けることもできる。単結
晶原料を溶融する際、保温筒の直上部を隔離板で覆うこ
とにより、放熱を抑制して単結晶原料の溶融を促進する
ことができる。

【００２８】この単結晶製造装置には、第一育成炉外か
ら貴金属るつぼに単結晶の原料粉末を補給する装置が設
けられている。この装置は、第一育成炉を貫通して貴金
属るつぼに対して進退する案内管と、この案内管に単結
晶の原料粉末を定量送入する定量供給装置とから構成さ
れている。案内管は常時は第一育成炉の隔壁際まで後退
している。

【００２９】なお、育成炉は、第一育成炉、第二育成炉
ともにアルゴンガスなどによる不活性ガス雰囲気とされ
ている。

【００３０】

【作 用】第一育成炉に配置された貴金属るつぼに、単
結晶原料が収容され、誘導炉により融点よりややた高い
温度で溶融する。次いで、貴金属るつぼ内の融液に引き
上げ軸の先端に固定された種結晶を接触させて、引き上
げ軸をゆっくりと回転させながら引き上げることにより
先端の種結晶から単結晶が成長する。

【００３１】単結晶原料を溶融するとき、るつぼ上部に
設置された保温筒直上を移動可能な隔離板で閉鎖するよ
うにすると、短時間での溶融が可能となる。

【００３２】単結晶が所定の大きさとなったところで、
その外周に保温炉が被嵌され、この状態で単結晶と保温
炉は、第二育成炉に移動され、ゲートバルブが閉められ
る。単結晶は第二育成炉で徐冷されながら、育成炉外へ
送り出され、徐冷が継続される。

【００３３】一方、単結晶原料の融液が残された貴金属
るつぼには、単結晶の原料粉末が育成炉外から実質的に
育成炉内の温度を低くしないようにして供給され溶融さ
れる。 このように、本発明においては、育成炉内の温
度を実質的に下げることなく、かつ貴金属るつぼ内に残
留した融液を固化させることなく、単結晶の原料粉末が
貴金属るつぼに供給されて溶融され次の単結晶の引き上
げが行われる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施態様を図１
乃至図４を参照しながら詳細に説明する。

【００３５】図１に示すように、この実施例の単結晶育
成炉、単結晶の引き上げ育成を行う第１育成炉１と、そ
の上部に配設された育成単結晶の冷却および炉外への取
り出しを行うための第２育成炉２から構成されている。
第１育成炉１と第２育成炉２はゲートバルブ３で仕切る
ことができる構造となっている。

【００３６】育成炉内には上下動可能で、育成炉外への
取り出し可能な保温炉４が配置されている。保温炉４
は、引き上げ終了後の育成単結晶１４をその中に収容し
て、育成単結晶１４の冷却を長時間かけて行うものであ
る。また育成炉外には重量センサーと供給速度調節機能
を備えた原料供給装置１６が配置されており、原料１８
を原料供給管１７を介してＩｒ（イリジウム）等の貴金
属からなる貴金属るつぼ５に供給できる構造となつてい
る。

【００３７】貴金属るつぼ５の周囲には、耐火物るつぼ
６を含む断熱材が配置してあり、さらにその上部にも同
心状に断熱材が配置してある。貴金属るつぼ５の上部に
は貴金属からなるリング状の反射板８が配置され、さら
にその上部には円筒状あるいは円錐台状等の形状をした
貴金属からなるアフターヒーター９が配置されている。
耐火物るつぼ６の外側には誘導加熱コイル７が配置し
てあり、貴金属るつぼ５、反射板８、アフターヒーター
９を昇温することができるようになっている。

【００３８】次にこの実施態様の装置を用いて酸化物単
結晶を引き上げ育成する方法について説明する。

【００３９】まず、貴金属るつぼ５の中に酸化物単結晶
の原料を収容し、誘導加熱コイル７により該貴金属るつ
ぼ５を加熱して、原料を溶融させて融液１０とする。

【００４０】ここで、誘導加熱コイル７への電力を調節
することにより融液１０の表面温度を結晶成長の適正温
度に調節する。第二育成炉２にはその中心と貴金属るつ
ぼ５を結ぶ線上に引き上げ軸１１が配置されており、引
き上げ軸１１の先端にはアルミナ棒１２を介して種結晶
１３が固定されている。

【００４１】引き上げ軸１１を下げて、種結畠１３を融
液１０の表面に接触させる。誘導加熱コイル７への電力
を調節しながら、引き上げ軸１１を回転させつつ引き上
げることにより、種結晶１３の下に育成単結晶１４が育
成する。（図１参照）育成単結晶１４が所定の長さにな
ったところで、引き上げ軸１１を早送りで所定の距離だ
け上昇させて、育成単結晶１４を融液１０表面より切り
離す。なお、このような方法ではなく、結晶テールを形
成させて融液１０の表面から切り離すようにしてもよ
い。

【００４２】その後、育成単結晶１４を所定の位置まで
ゆっくりと上昇させる。このとき保温炉４は所定の温度
にまで上昇させその温度を維持した状態で第一育成炉１
の上方に保持されている。

【００４３】育成単結晶１４が所定の位置まで上昇した
ところでその位置で止め、保温炉４を降下させ、育成単
結晶１４の周囲に配置する。（図２参照）この状態まで
は、原料供給管１７の先端は、貴金属るつぼ５の上に懸
からない位置まで後退させておくことが望ましい。

【００４４】その後、保温炉４と育成単結晶１４を同期
して上昇させ、第２育成炉２内に収容し、ゲートバルプ
３を閉鎖して第１育成炉１と第２育成炉２を仕切る。

【００４５】この実施態様では保温炉４の下が開放状態
とされており、育成単結晶１４に好ましくない温度分布
が生ずるおそれがあるので、保温炉４の底には断熱用の
蓋をすることが望ましい。この実施態様では、ゲートバ
ルブ３の上にヒーター付きの底蓋４ａを載せておき、そ
の上に保温炉４と育成単結晶１４を同期して下降させる
ことで、底に蓋をする構成を採用している。同時に、誘
導加熱コイル７への電力を増加させ、るつぼ５の温度を
上昇させる。

【００４６】次に、原料供給管１７の先端が貴金属るつ
ぼ５の上にくるように前進させ、原料供給管１７を介し
て、設定された速度で単結晶原料８粉末の貴金属るつぼ
５への供給を開始する。

【００４７】引き上げ軸１１の上部にはロードセル１９
が配置されており、育成単結晶１４の重量がわかるよう
になっている。供給された原料粉末の総重量が育成単結
晶１４の重量と同重量となるまで、貴金属るつぼ５への
原料粉末の供給が続けられる。この時、貴金属るつぼ５
を回転させながら原料１８の供給をすることが望まし
い。 貴金属るつぼ５へ投入された原料が融けて融液と
なるには、ある程度の時問が必要であり、貴金属るつぼ
５が回転してないと先に投入された原料が融ける前に、
次から次ぎに原料が投入されて山になってしまいスムー
ズに投入原料が融けないおそれがある。貴金属るつぼ５
を回転させながら原料供給を行うことによりこのような
問題が回避される。

【００４８】この実施態様ではるつぼ軸１５に回転機能
を持たせており、貴金属るつぼ５を回転させながち原料
１８の供給をするので、投入された原料はスムーズに融
け、原料の供給速度を大き目に設定することが可能であ
る。（図３参照）単結晶原料１８の供給・溶融を行って
いる間に、第２育成炉２より保温炉４と育成単結晶１４
を取り出し、引き上げ軸１１の先端には新しい種結晶１
３をセットする。酸化物単結晶は一般に割れ易く、引き
上げ後の冷却に１０時間前後あるいはそれ以上の長時間
を要するが、この長時間の単結晶の冷却の大部分をこの
実施態様では育成炉の外で保温炉４の中で行う。（図４
参照）次に、本発明の具体的な実施例について説明す
る。

【００４９】（実施例１）貴金属るつぼ５として、直径
１８０ｍｍφ、高さ１８０ｍｍのＩｒ（イリジウム）製
るつぼを用いた。このるつぼ内に、組成比がＬｉ／Ｔａ
＝０．９４３（モル比）となるようにＬｉＴａＯ₃ とＬ
ｉＮｂＯ₃ の粉末を秤量し焼成した焼結原料を７〜１０
ｋｇるつぼ内に入れ、誘導加熱コイル７で貴金属るつぼ
５を加熱して、原料を溶融させた。その後、原料供給装
置１６より原料１８を貴金属るつぼ５内に供給しながら
溶融させ、総重量が１３ｋｇの融液１０を貴金属るつぼ
５内に作成した。

【００５０】誘導加熱コイル７の出力を調整し（下
げ）、融液１０表面温度を結晶成長の適性温度に安定さ
せた。引き上げ軸１１を下げ、種結晶１３を融液１０表
面に接触させ、誘導加熱コイルの出力を調節しながら、
引き上げ軸１１を回転させつつ引き上げることにより、
種結晶１３の下に、直胴直径が１０５〜１１０ｍｍφ、
重量６〜７ｋｇの育成単結晶１４を通常の方法に従い成
長させた。２本目以降の結晶作成では、前回の育成単結
晶１４と同一重量の原料を原料供給装置１６を用いてる
つぼ５内に供給し、総重量が１３ｋｇの融液１０をるつ
ぼ５内に作成し、引き上げを行った。

【００５１】結晶成長終了時の誘導加熱コイル７の出力
を維持したまま、育成単結晶１４を１時間かけて上方に
移動させ、結晶センターが所望の炉内温度Ｔ℃あたりの
位置まで上昇させ、その位置に保持した。尚、炉内温度
としては、図６に示した、結晶引き上げ前の縦方向炉内
温度分布を熱電対で測定したものを用いた。その問に保
温炉４を上記と同一のＴ℃になるように設定・維持して
おき、保温炉４を下方に下げて、育成単結晶１４の周囲
に配置させた。

【００５２】この状態で、保温炉４と育成単結晶１４を
同期させて上昇させ、第２育成炉２内に収容し、第１育
成炉１と第２育成炉２をゲートバルブで仕切った。

【００５３】その後、保温炉４は約１０時間かけて出力
を線形的に減少させ、ゼロとした。保温炉からの結晶取
り出しはそれから約６時問後とした。

【００５４】ここで保温炉４に育成単結晶１４を収容す
る温度Ｔ℃について種々検討した。結晶収容温度Ｔ℃は
ＬＴ単結晶の育成温度１６５０℃に近いことが望ましい
が、このような高温に耐えるヒーターの材質および寿命
の長い容器の材質の選定は難しい。そこで、結晶収容温
度Ｔ℃を低い方に振り、育成単結晶１４の冷却試験を行
った。結晶収容温度Ｔ℃としては、１４００℃、１３０
０℃、１２００℃、１１００℃の４種として、各々３回
ずつ試験を行い、冷却後の結晶のクラックの有無と、ボ
ーリング工程後のクラックの有無について調査した。
尚、この試験においては、結晶引き上げ工程において理
想的な状態から外れたものについてはカウントから除外
した。

【００５５】

【表１】 この実験結果から、１３００℃の結晶収容温度で十分に
結晶クラックの予防ができることが判った。１２００℃
においても、すでにクラックの予防効果が現れているこ
とが判った。

【００５６】また、育成単結晶１４の融液１０よりの切
り離しから所定の位置まで上昇させるに要する時間は、
長いほど結晶の受ける熱ストレスが小さく、クラック防
止の観点からは好ましいことは言うまでもない。

【００５７】実施例２ 育成単結晶１４のクラックフリー率の向上という観点か
ら保温炉４そのものの効果を、ＬＴ（ＬｉＴａＯ₃ ）単
結晶について、従来の引き上げ法（図７参照）によるも
のと比較して検討した。

【００５８】また、貴金属るつぼ５や炉内耐火物の変形
・劣化についても本発明と従来の引き上げ法によるもの
と比較を行った。

【００５９】従来の引き上げによる単結晶育成では、育
成単結晶１４は融液１０表面より切り離された後、融液
表面より数ｃｍ上方の位置で徐冷される。液面よりの結
晶切り離し後、８時間かけて誘導加熱コイル７の出力を
線形的に減少させ、ゼロとした。その後約１０時間放置
して、室温に近い状態で育成単結晶１４を育成炉より取
り出した。るつぼ５の大きさ、るつぼ内の融液量、育成
単結晶１４の口径と重量は実施例１と同様である。２０
本の単結晶育成を行い、冷却後のクラックフリー率を調
べたところ２０本中１５本のみが、クラックフリーであ
った。

【００６０】一方、実施例１と同様な方法で２０本の単
結晶育成を行った。ただし、育成単結晶１４の融液１０
よりの切り離しから所定の位置まで上昇させるに要する
時間は、実施例１では１時間であったが、本実施例では
２時間とした。また、保温炉４への結晶収容温度Ｔ℃は
本実施例では１３００℃とした。また２０本の引き上げ
では、５本ごとに設備のメンテナンスのため、育成炉の
温度を室温付近まで落としている。

【００６１】本実施例では、冷却後のクラックフリー率
は、２０本中の１８本であり、従来法により引き上げた
ものと比較して、クラックフリー率が向上していること
が判る。

【００６２】実施例と従来の引き上げ法による育成単結
晶１４のクラックフリー率の比較を表２に示す。

【００６３】

【表２】 また、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ₃ ）単結晶においても同様な比
較を行ったが、上記と同様に、本発明により、クラック
フリー率の向上が認められた。

【００６４】さらに、本実施例においで貴金属部材（特
にるつぼ）および耐火物部材の劣化の様子を従来の引き
上げ法によるものと比較した。

【００６５】上述した通り、従来の引き上げ法によるも
のでは、引き上げごとに育成炉の温度を室温付近にまで
落としているが、これに対して本実施では育成炉の温度
を５回の引き上げごとに室温付近まで落とした。２０回
の引き上げにおいて、従来の引き上げ法では、貴金属る
つぼの変形が見られ、耐火物は貴金属るつぼ５を取り囲
む耐火物るつぼ６の劣化が特に激しく、引き上げ１０回
ごとの交換が必要であった。他の耐火物についてもクラ
ック等が生じていた。

【００６６】これに対して本実施例においては、２０回
の引き上げにおいて、貴金属るつぼ５の変形や耐火物の
劣化については、軽微なものしか認められなかった。

【００６７】実施例３ 保温炉４内で育成単結晶１４の徐冷方法を種々検討し、
単結晶育成後冷却中に割れ易い単結晶種について、クラ
ックフリー率の向上を検討した。

【００６８】割れ易い単結晶種としては、ＬＢＯ（Ｌｉ
₂ Ｂ₄ Ｏ₇ ) を対象とした。

【００６９】現在ＬＢＯ単結晶育成は、結晶成長中およ
び冷却中の熱ストレスの小さいブリッジマン法が製造の
主要方法となっている。

【００７０】しかしながら、引き上げ法においても製造
は可能であり、結晶成長後冷却中（室温付近まで含む）
のクラック発生率が５０％を超えるというような大きさ
のため、主要製造方法の座を降りているのである。

【００７１】さて、クラックフリー率を向上きせるため
には、熱ストレスの低減が必要である。引き上げ中の熱
ストレスの低減は炉内構造の検討や引き上げ速度を遅く
する等の方法である程度の検討は可能であるが、ここで
は結晶引き上げ後の冷却方法について熱ストレスの低減
を検討した。

【００７２】検討の柱は(1) 冷却速度低減、(2) 冷却中
の結晶の温度分布の均一性向上、とした。冷却速度の低
減は、従来法による引き上げ後１日かけて冷却し結晶を
育成炉からとりだしていたものを、冷却時聞として２
日、４日かける検討を行った。また、冷却中の結晶の温
度分布の均一性向上としては、保温炉４中での結晶冷却
を検討した。実験としては育成炉中での冷却と保温炉中
での冷却それぞれについて、冷却時間を１日、２日、４
日と振ったものを各１０本ずつ行った。

【００７３】各条件についで、クラックフリー率をまと
めたものを表３に示す。

【００７４】

【表３】 表３から、育成炉中での冷却は冷却時間を長くしてもク
ラックフリー率の向上が見られないことが判る。一方保
温炉中での冷却では、保温炉を用いただけで大きくクラ
ックフリー率が向上すること、冷却期間を長くすること
により、さらにクラックフリー率が向上することが判
る。

【００７５】以上の実施例から明らかなように、本発明
によれば、育成炉内での育成単結晶の除冷を行う必要が
なくなり、通常２日で１本のペースでの結晶作成が、１
日で１本のペースで結晶作成を行うことが可能となり、
引き上げ機１台当たりの生産能力が倍増した（ＬｉＴａ
Ｏ₃ 、ＬｉＮｂＯ₃ 等）。

【００７６】また、引き上げごとの育成炉の冷却が必要
なくなり、るつぼ内の融液が固化することがないため、
責金属るつぼの変形が大幅に減少し、貴金属るつぼの寿
命が大幅に向上した。

【００７７】さらに、育成炉内の温度が低下しないの
で、耐火物が熱ショックを受けることがなくなり、耐火
物割れが大幅に減少し、耐火物の寿命が大幅に向上し
た。

【００７８】また、温度分布が比較的均一な保温炉内で
育成単結晶の冷却を行うため、育成単結昌の受ける熱ス
トレスが小さく、育成炉内で冷却した場合に比べて、育
成単結晶の冷却割れが減少した（ＬｉＴａＯ₃ 、ＬｉＮ
ｂＯ₃ 、Ｌｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ 等）。 これらにより、育成単
結晶の生産徒力増強と生産コストの低減を同時に達成す
ることが可能となった。

【００７９】なお、以上の実施例では、代表的な酸化物
単結晶であるＬＴ、ＬＮ、ＬＢＯについてのみ説明した
が、ランガサイト型化合物のような広義の他の酸化物単
結晶に対しても、本発明を適用することが可能である。

【００８０】さらに本発明は、かかる酸化物単結晶のみ
に限定されるものではなく、クラックの生じ易い、従っ
て冷却に長時間を要する他の単結晶引き上げに対して
も、引き上げ機の実質稼動率向上やクラックフリー率の
向上等の効果を発揮する。

【００８１】

【発明の効果】本発明によれば、引き上げ法での単結晶
の製造において、(1) 引き上げ機の実質稼動率の向上に
よる生産性の大幅向上、(2) 貴金属部材の寿命の大幅向
上、耐火物部材の寿命の大幅向上、および冷却過程での
単結晶のクラックフリー率の向上による製造コストの低
減、という生産の２大要素の向上をはかることができそ
の効果は絶大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明で使用される酸化物単結晶の製造装置
の縦断面図（引き上げ中）。

【図２】 本発明で使用される酸化物単結晶の製造装置
の縦断面図（引き上げ終了後、育成単結晶を保温炉に収
容した状態）。

【図３】 本発明で使用される酸化物単結晶の製造装置
の縦断面図（保温炉４と育成単結晶１４を第２育成炉に
収容し、ゲートバルブを閉め、るつぼへの原料供給を開
始した状況を示す）。

【図４】 本発明で使用される酸化物単結晶の製造装置
の縦断面図（保温炉と育成単結晶を第２育成炉の外部に
出し、育成単結晶の冷却を行っている状況を示す）。

【図５】 引き上げ前の育成炉内の縦方向の温度分布を
示すグラフ。

【図６】 従来の酸化物単結晶の製造装置の縦断面図。

【符号の説明】

１……第１育成炉 ２……第２育成炉 ３……
ゲートバルブ ４……保温炉 ５……貴金属るつぼ ６……
耐火物るつぼ ７……誘導加熱コイル ８……貴金属反射板 ９…貴
金属アフターヒーター １０……融液 １１……引き上げ軸 １２…
…アルミナ棒 １３……種結晶 １４……育成単結晶 １５…
…るつぼ軸 １６……原料供給装置 １７……原料供給管 １８…
…原料 １９……ロードセル

フロントページの続き (72)発明者 牛沢 次三郎 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 松村 禎夫 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 進藤 勇 茨城県つくば市大字倉掛404 (72)発明者 木村 伸二 山梨県韮崎市中田町中条1165 エーデルハ イツ205 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 AA10 BC32 BC37 BD07 CF10 EG19 EG26

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温の第１の領域内で貴金属るつぼ内に
   収容された単結晶原料の融液に種結晶を接触させて前記
   融液から単結晶を引き上げる工程と、 前記引き上げられた単結晶を第１の領域内で可動の保温
   炉に収容する工程と、 前記可動の保温炉に収容された単結晶を保温炉とともに
   前記第１の領域よりは温度が低く環境温度よりは温度の
   高い第２の領域に移動して徐冷する工程と、 前記貴金属るつぼ内に前記第１の領域の温度を実質的に
   下げることなく単結晶原料を補給して溶融する工程とを
   有し、 以上の工程を繰り返すことにより前記第１の領域の温度
   を実質的に下げることなく繰り返し単結晶の引き上げを
   行うことを特徴とする酸化物単結晶の製造方法。
2. 【請求項２】 前記第２の領域は、前記第１の領域の上
   方に位置することを特徴とする請求項１記載の単結晶の
   製造方法。
3. 【請求項３】 第１の領域と第２の領域間には開閉可能
   な遮蔽扉が配設され、第２の領域にある可動の保温炉に
   収容された単結晶は、前記遮蔽扉を閉鎖した状態で第２
   の領域から取り出されることを特徴とする請求項１又は
   ２記載の単結晶の製造方法。
4. 【請求項４】 保温炉は、吊り下げられた単結晶の外周
   を間隔をおいて包囲する構造を有し、引き上げ終了後の
   単結晶を保温炉内に収容し、しかる後、前記単結晶と前
   記保温炉とを同期して第２の領域に移動することを特徴
   とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の単結晶の製
   造方法。
5. 【請求項５】 単結晶収容時の前記保温炉の温度を、前
   記単結晶原料の融液の温度をＴm °Ｋとしたとき、
   （０．７〜１）Ｔm °Ｋの範囲に設定することを特徴と
   する請求項１乃至４のいずれか１項記載の単結晶の製造
   方法。
6. 【請求項６】 保温炉内の温度分布を均一な状態とし
   て、引き上げた単結晶を必要な時間をかけて徐冷するこ
   とを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の単
   結晶の製造方法。
7. 【請求項７】 単結晶が、タンタル酸リチウム（ＬｉＴ
   ａＯ₃ ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）または四
   硼素酸リチウム（Ｌｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ ）であることを特徴と
   する請求項１乃至６のいずれか１項記載の単結晶の製造
   方法。
8. 【請求項８】 内部を高温雰囲気に保持する育成炉と、 前記育成炉内に配置された貴金属るつぼと、 前記貴金属るつぼに収容された単結晶原料の融液より単
   結晶を引き上げる引上げ軸と、 前記育成炉内で上下動可能とされ、かつ前記育成炉外へ
   取り出し可能に構成された前記単結晶を覆う保温炉と、 前記貴金属るつぼに前記育成炉外から前記単結晶原料を
   供給する装置とを具備してなることを特徴とする単結晶
   製造装置。
9. 【請求項９】 前記育成炉が、単結晶を引き上げ成長さ
   せる高温の第１育成炉と、前記第１育成炉の上部に配置
   され前記保温炉とこの保温炉の中に収容された単結晶を
   一旦収容するための第２育成炉の上下２室構造とされて
   おり、第一育成炉と第二育成炉間には、第一育成炉と第
   二育成炉を仕切るための開閉扉が設けられていることを
   特徴とする請求項８記載の結晶製造装置。
10. 【請求項１０】 るつぼの上部に設けられた保温筒の直
    上部に移動式の隔離板を設けたことを特徴とする請求項
    ８又は９記載の単結晶製造装置。
11. 【請求項１１】 単結晶育成終了後、保温筒上部から、
    原料粉末を供給可能とされていることを特徴とする請求
    項８乃至１０のいずれか１項記載の単結晶製造装置。
12. 【請求項１２】 貴金属るつぼが、イリジウム金属から
    なることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項
    記載の単結晶製造装置。
13. 【請求項１３】 育成炉内が、不活性ガス雰囲気とされ
    ていることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１
    項記載の単結晶製造装置。