JP2003063894A - タンタル酸リチウム単結晶及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来にない化学量論組成に近いコングルエン
ト組成を有し結晶性の良好なタンタル酸リチウム単結
晶、及びその製造方法を提供すること。 【解決手段】 コングルエント組成のモル比Ｌｉ／Ｔａ
が０．９５より大で、かつキュリー温度が６１０℃より
高いタンタル酸リチウム単結晶は、酸素ガス分圧が５〜
２０ｈＰａ、及び不活性ガス分圧が９００ｈＰａ以下の
単結晶育成炉内で、ガス圧力変動幅を１０ｈＰａ以下に
制御しながらチョクラルスキー法により単結晶を育成す
ることにより、欠陥が少ない高品質で均一組成の単結晶
を育成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、弾性表面波（ＳＡ
Ｗ）素子用基板や光学素子等として好適に用られるタン
タル酸リチウム単結晶及びその製造方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、タンタル酸リチウム単結晶の製造
には、一般にチョクラルスキー法が用いられている。こ
の方法では、坩堝内に充填された原料を加熱溶融した
後、種結晶をその融液に接触させ、しかる後に種結晶を
引き上げながら温度操作により目的とする結晶径まで成
長させ、その後は結晶径を一定に保つような温度操作に
より、種結晶と同じ方位のタンタル酸リチウム単結晶を
得ることができる。

【０００３】タンタル酸リチウムの融点は約１６５０℃
であるので、通常、高融点金属の高価なイリジウムが坩
堝材として用いられ、高周波加熱による坩堝の加熱で原
料を溶融させるが、イリジウムの消耗を抑制するために
酸素濃度をできるだけ少なく（例えば、２体積％）にす
る必要がある。雰囲気制御は酸素と不活性ガスの混合ガ
スを結晶育成室である単結晶育成炉内に投入することに
よって行うが、単結晶育成炉排気口は開放しているた
め、天候により外気圧が３０〜４０ｈＰａも変動すると
単結晶育成炉内の圧力も同様に変動してしまう。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に大気圧すなわち
１０１３ｈＰａの条件下では、タンタル酸リチウム単結
晶のコングルエント組成は、Ｌｉ：Ｔａ＝４８．３：５
１．７程度であるとされているが、圧力が４０ｈＰａ程
度下がるとコングルエント組成はＬｉ：Ｔａ＝４８．
５：５１．５程度まで変動してしまう。

【０００５】このように、単結晶育成炉内の圧力が変動
すると、コングルエント組成が変動するので、原料と育
成結晶の組成ずれが発生するだけでなく、坩堝内に残留
している原料組成もずれることになるので、原料を連続
して充填すると大きな組成ずれが生じる。これを防止す
るために、その都度、原料組成の調整や原料の入れ替え
が必要となる。また、大気圧下でのコングルエント組成
は、Ｌｉの含有量が少ないため、結晶中のＬｉ欠陥が多
く結晶性が低下し、電子部品等の基板や光学素子用とし
て好ましくない。

【０００６】そこで本発明では、従来にない化学量論組
成に近いコングルエント組成を有し結晶性の良好なタン
タル酸リチウム単結晶、及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のタンタル酸リチウム単結晶は、コングルエ
ント組成のモル比Ｌｉ／Ｔａが、０．９５より大で、か
つキュリー温度が６１０℃より高いことを特徴とする。

【０００８】また、上記タンタル酸リチウム単結晶の製
造方法は、チョクラルスキー法により単結晶を育成する
製造方法であって、酸素ガス分圧が５〜２０ｈＰａ、及
び不活性ガス分圧が９００ｈＰａ以下の単結晶育成炉内
で、ガス圧力変動幅を１０ｈＰａ以下に制御しながら育
成単結晶を融液から引き上げるようにしたことを特徴と
する。

【０００９】これにより、常に、欠陥が少ない高品質で
均一組成の単結晶を連続して育成することが可能とな
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態につい
て模式的にあらわした図面に基づいて詳細に説明する。

【００１１】図１は本発明で用いる高周波加熱式の単結
晶育成装置の断面図である。

【００１２】まず、ガスの吸気口１及び排気口２を備え
た単結晶育成炉３内に、円筒状に配設された耐火セラミ
ックス１１で包囲されたイリジウム製の坩堝４に、コン
グルエント組成のタンタル酸リチウム原料を充填した状
態で、吸気口１より酸素（０．５〜２体積％）と不活性
ガス（窒素またはアルゴンを９８〜９９．５体積％）の
混合ガスを単結晶育成炉３に吸入する。

【００１３】次に、排気口２の近傍に設けた圧力計８に
より、単結晶育成炉３内の圧力を測定しながら排気ポン
プ７を制御して、酸素ガス分圧が５〜２０ｈＰａ、及び
不活性ガス分圧が９００ｈＰａ以下の単結晶育成炉内
で、ガス圧力変動幅を１０ｈＰａ以下に制御しながら単
結晶育成炉内で、ガス圧力変動幅が１０ｈＰａ以下の一
定圧になるように制御する。

【００１４】そして、坩堝４の周囲に設けたコイル５に
より、坩堝４に対して高周波加熱を行い、坩堝４内の原
料を溶融して融液６とする。その後、支持棒９の先端に
設けた所定方位の種結晶１０を融液６に接触させ、高周
波出力を制御し加熱温度を制御しながら支持棒９を引き
上げ回転させ結晶を成長させる。

【００１５】上記製造において、酸素ガス分圧が５〜２
０ｈＰａ、及び不活性ガス分圧が９００ｈＰａ以下の単
結晶育成炉内で、ガス圧力変動幅を１０ｈＰａ以下に制
御しながら単結晶を育成する理由は、９００ｈＰａ以下
のガス雰囲気中で単結晶を育成すると、一般に知られて
いるコングルエント組成よりもＬｉリッチになることが
判明し、また、組成変動を±０．０５％以内に制御する
ためには、圧力変動を１０ｈＰａ以下に制御する必要が
あることが判明したからである。

【００１６】以上により、欠陥が極めて少なく高品質で
且つ均一組成の単結晶、すなわち、コングルエント組成
のモル比Ｌｉ／Ｔａが０．９５より大で、かつキュリー
温度が６１０℃より高く、キュリー温度のばらつきがほ
とんど無い、優れた単結晶を得ることができる。また、
キュリー温度が高くばらつきが無いので、非線形光学定
数の大きい優れた光学用途に適用が可能である。

【００１７】

【実施例】次に、本発明のより具体的な実施例について
説明する。

【００１８】＜実施例１＞純度９９．９９％の炭酸リチ
ウムと五酸化タンタルの原料を４８．８：５１．２の割
合で混合した後に電気炉で焼成（雰囲気：大気）して原
料組成のモル比Ｌｉ／Ｔａが０．９５３のタンタル酸リ
チウム原料を作製した。

【００１９】作製した原料を内径１８０ｍｍ、高さ１８
０ｍｍのイリジウム製の坩堝４に充填し、引き上げ方位
をＹ軸からＺ軸方向に３４°〜４４°傾けた方位で、先
端部の径が６ｍｍの種結晶１０とともに、図１に示す高
周波加熱式単結晶育成装置にセットした。

【００２０】その後、吸気口１から酸素ガス１体積％、
窒素ガス９９体積％の混合ガスを吸入し、圧力計８でガ
ス圧力を測定しながら排気ポンプ７の排気制御を行っ
て、単結晶育成炉３内のガス圧力が９００ｈＰａ±５ｈ
Ｐａになるように制御した。

【００２１】次いで、コイル５により坩堝４に対し高周
波加熱を行い、タンタル酸リチウム原料を溶融した。原
料が溶けた後、融液表面温度を融点の１６５０℃より３
０〜４０℃高い１６８０〜１６９０℃まで昇温し、１時
間保持した後、融液温度を融点まで下げた。

【００２２】次いで、種結晶１０を９．５ｒｐｍで回転
させながらゆっくりと降下させ液面に接触させた後、種
結晶先端部の径が５ｍｍになるように高周波出力により
液面温度を制御した。そして、種結晶１０を２ｍｍ／ｈ
ｒで回転させながら引き上げ、徐々に温度を下げて４時
間程度で結晶径１０ｃｍまで結晶頭部を育成させた後
に、直胴部を１１ｃｍまで育成させた。このようにして
育成した結晶を融液から切り離した後、室温まで３０時
間で徐冷し結晶を取り出した。

【００２３】また、同様にして、原料組成のモル比Ｌｉ
／Ｔａが０．９６のタンタル酸リチウム原料を溶融し
て、図１に示す単結晶育成装置で単結晶を育成した。

【００２４】かくして、いずれの育成単結晶もモル比Ｌ
ｉ／Ｔａが０．９５より大のコングルエント組成で、こ
のときの組成変動を±０．０５％以内に抑えることがで
き、キュリー温度が６１０℃より高く、しかもキュリー
温度のばらつきが０．２℃以下の、欠陥が無い結晶性の
非常に優れたタンタル酸リチウム単結晶を育成できた。

【００２５】＜実施例２＞実施例１と同様な坩堝、単結
晶育成装置、種結晶を用いて、単結晶育成炉３内のガス
圧力を５００ｈＰａ±５ｈＰａに制御して結晶育成を行
った。

【００２６】純度９９．９９％の炭酸リチウムと五酸化
タンタルを４９．１：５０．９の割合で混合した後に電
気炉で焼成し（雰囲気：大気）てモル比Ｌｉ／Ｔａが
０．９７の原料６を作製した。

【００２７】作製した原料６を実施例１と同様な大きさ
形状のイリジウム製の坩堝４に充填し、引き上げ方位を
実施例１と同様な方位で先端部の径が６ｍｍの種結晶１
０とともに、図１に示す単結晶育成装置にセットした。

【００２８】吸気口１から酸素ガス２体積％、窒素ガス
９８体積％の混合ガスを吸入し圧力計８で圧力を測定し
ながら排気ポンプ７を排気制御して単結晶育成炉３内の
圧力が５００ｈＰａ±５ｈＰａになるように制御した。

【００２９】コイル５により坩堝４を高周波加熱し、タ
ンタル酸リチウム原料６を溶融した。原料が溶けた後、
融液表面温度を融点の１６５０℃より３０〜４０℃高い
１６８０〜１６９０℃まで昇温し、１時間保持した後、
融液温度を融点まで下げた。

【００３０】種結晶１０を９．５ｒｐｍで回転させなが
らゆっくりと降下させ、液面に接触させた後、種結晶先
端部の径が５ｍｍになるように高周波出力により液面温
度を制御した。

【００３１】種結晶１０を２ｍｍ／ｈｒで回転引き上げ
を行いながら、徐々に温度を下げて４時間程度で結晶径
１０ｃｍまで結晶頭部を育成した後に直胴部を１１ｃｍ
に育成させた。育成した結晶を融液から切り離した後室
温まで３０時間で徐冷し結晶を取り出した。

【００３２】かくして、モル比Ｌｉ／Ｔａが０．９７の
コングルエント組成で、このときの組成変動を±０．０
５％以内に抑えることができ、キュリー温度が６２４
℃、しかもキュリー温度のばらつきが０．２℃以下の、
欠陥の無い結晶性の非常に優れたタンタル酸リチウム単
結晶を育成できた。 ＜実施例３＞実施例２と同様にして、原料組成をＬｉ：
Ｔａ＝５０：５０（モル比１）、５ｈＰａ±１ｈＰａの
酸素雰囲気下で結晶育成を行った。

【００３３】かくして、モル比Ｌｉ／Ｔａが１．０のコ
ングルエント組成で、このときの組成変動を±０．０５
％以内に抑えることができ、キュリー温度が６７５℃
で、キュリー温度のばらつきが０．２℃以下の、欠陥の
無い結晶性の優れたタンタル酸リチウム単結晶を育成で
きた。

【００３４】＜比較例＞原料組成を実施例１〜３と同一
にして、大気中で結晶育成を行ったところ、組成の変動
が０．１％以上で、さらにキュリー温度のバラツキが
１．５℃以上もあり、原料チャージ回数が多くなるにし
たがってこのバラツキが大きくなる傾向がみられた。こ
れは天候等の原因で圧力が大きく変化し、結晶のコング
ルエント組成が変動したため、結晶と坩堝に残留した原
料の組成にずれが生じたためと思われる。

【００３５】また、育成結晶は直胴部付近から曲がり、
黒く着色していた。これは酸素分圧が２ｈＰａ程度まで
低下したため酸素欠陥により黒く着色し、結晶が炉内の
輻射熱を吸収し固液界面での温度勾配が低下したためと
考えられる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のタンタル
酸リチウム単結晶及びその製造方法によれば、欠陥が極
めて少なく高品質で且つ均一組成の単結晶、すなわち、
キュリー温度のばらつきがほとんど無く、結晶性に優れ
た単結晶を得ることができる。特に、キュリー温度が高
くそのばらつきが無い単結晶を得ることができるので、
非線形光学定数の大きい光学用途に好適な単結晶を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単結晶育成装置を模式的に説明す
る一部断面図である。

【符号の説明】

１：吸気口 ２：排気口 ３：単結晶育成炉 ４：坩堝 ５：コイル ６：融液 ７：排気ポンプ ８：圧力計 ９：支持棒 １０：種結晶 １１：耐火セラミックス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コングルエント組成のモル比Ｌｉ／Ｔａ
   が、０．９５より大で、かつキュリー温度が６１０℃よ
   り高いタンタル酸リチウム単結晶。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のタンタル酸リチウム単
   結晶をチョクラルスキー法により育成する製造方法であ
   って、酸素ガス分圧が５〜２０ｈＰａ、及び不活性ガス
   分圧が９００ｈＰａ以下の単結晶育成炉内で、ガス圧力
   変動幅を１０ｈＰａ以下に制御しながら育成単結晶を融
   液から引き上げるようにしたことを特徴とするタンタル
   酸リチウム単結晶の製造方法。