JP2004238239A - 単結晶の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】結晶欠陥のないビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を液相エピタキシャル成長によって形成するための単結晶基板として好適に用いることができる、高品質な組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）で表されるガーネット単結晶を製造する方法を提供する。
【解決手段】組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）で表され、ガーネット構造を有する単結晶をチョコラルスキー法によって製造する方法であって、１．７２ｍｍ／時間以下の結晶成長速度ｇで結晶成長させて、単結晶を製造する方法。０．４体積％以上１０．０体積％未満の酸素を含む雰囲気内で結晶成長させることが好ましい。
【選択図】 図２
【解決手段】組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）で表され、ガーネット構造を有する単結晶をチョコラルスキー法によって製造する方法であって、１．７２ｍｍ／時間以下の結晶成長速度ｇで結晶成長させて、単結晶を製造する方法。０．４体積％以上１０．０体積％未満の酸素を含む雰囲気内で結晶成長させることが好ましい。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）で表されるガーネット単結晶をチョコラルスキー法によって製造する方法に関し、より詳しくは、結晶中にインクルージョンを発生させることなく、大径の単結晶を製造する方法に関する。本発明で製造される単結晶は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を液相エピタキシャル成長させるための単結晶基板として好適に用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーを用いた通信システムは、従来の電気通信システムに比べて大容量のデータを高速かつ低損失で伝送できることから、近年には幹線通信系、さらには加入者系にまで急速に普及が進んでいる。光ファイバー通信システムにおける光源である半導体レーザーは、外部光によって敏感に影響を受け不安定になることが知られているが、光ファイバー通信の低損失化に伴って、近端だけでなく遠端からの反射光も半導体レーザーに影響を及ぼすようになった。そこでこの反射光の影響を避けるために、光ファイバー通信システムに光アイソレータが使用されている。この光アイソレータは、一般に、偏光子、ファラデー回転子及び検光子から構成されており、順方向の光を低損失で透過させる一方、逆方向からの入射光の通過を阻止する機能を有する。
【０００３】
このような光アイソレータや、光サーキュレータ、光磁界センサー等に用いられるファラデー回転子の材料としては、主に液相エピタキシャル法によって単結晶基板上に成長させたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜が用いられている。このビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜をエピタキシャル成長によって高品質に成膜するためには、成膜温度から室温までの温度領域において、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜と基板単結晶との格子定数差が極力小さいこと、すなわち両者の格子定数及び両者の線膨張係数が非常に近いことが必要条件とされる。
【０００４】
このような条件を満たす単結晶基板として、特開平１０−１３９５９６号公報には、Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）単結晶（以下、ＣＮＧＧ単結晶と略すことがある）からなる基板が提案されている。しかしながら、同号公報に記載のＣＮＧＧ単結晶はクラックはないが結晶中にインクルージョンの発生が見られる。そのため、このＣＮＧＧ単結晶から作製された基板上にビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を成膜すると、成膜された結晶中にクラックの発生は見られないが微小欠陥の発生が見られる。また、前記ＣＮＧＧ単結晶のインクルージョンの発生部位を避けて基板を作製すると、大径の単結晶基板は得られず、結果として、大径のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜が得られない。このように、同号公報に記載のＣＮＧＧ単結晶基板は、高品質のビスマス置換希土類鉄ガーネット膜を成膜するための基板としては、十分高品質であるとは言えない。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１３９５９６号公報
【特許文献２】
ＷＯ ０３／０００９６３号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、結晶欠陥のないビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を液相エピタキシャル成長によって形成するための単結晶基板として好適に用いることができる、高品質な組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）で表されるガーネット単結晶を製造する方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
バルク単結晶作製法の一つとして、チョコラルスキー法（Ｃｚ法；Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ 法）が知られている。チョコラルスキー法は、引上げ軸先端部に付けられた種結晶を原料融液に浸し、回転させながらゆっくりと引き上げて、単結晶を得る方法であり、単結晶引上げ法と呼ばれている。
【０００８】
本発明者は、チョコラルスキー法を用いて成長させたＣＮＧＧ単結晶の欠陥の観察を行った結果、結晶の中心（結晶引上げ軸線上）付近に発生する空隙を伴った欠陥（インクルージョン）が、デンドライト（樹枝状）成長に伴って生じていることを見いだした。このデンドライト成長は結晶凝固によって発生する凝固潜熱を十分に放熱できない状況下で発生しており、結晶化速度や温度勾配を制御することにより、このような欠陥を抑制することができると推察された。
【０００９】
本発明者は、さらに検討を行い、チョコラルスキー法を用いた単結晶基板の製造法において、結晶成長速度を制御することによって、さらに成長雰囲気の酸素量を制御することによって、従来難しかった結晶中のインクルージョンの抑制に成功した。
【００１０】
本発明は、組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）で表され、ガーネット構造を有する単結晶をチョコラルスキー法によって製造する方法であって、１．７２ｍｍ／時間以下の結晶成長速度ｇで結晶成長させることを特徴とする単結晶の製造方法である。
【００１１】
本発明は、０．４体積％以上１０．０体積％未満の酸素を含む雰囲気内で結晶成長させる、前記の単結晶の製造方法である。
【００１２】
本発明において、結晶成長速度ｇ（ｍｍ／時間）は、結晶引上げ速度ｖ（ｍｍ／時間）、原料融液の密度ρｍ （ｇ／ｃｍ３ ）、結晶の密度ρｃ （ｇ／ｃｍ３ ）、原料融液のルツボの内径Ｒ（ｍｍ）、結晶の直径ｒ（ｍｍ）として、
成長速度ｇ＝［ρｍ Ｒ２ ／（ρｍ Ｒ２ −ρｃ ｒ２ ）］・ｖ
で表される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、図１を参照して、本発明のチョコラルスキー法による単結晶製造の概略を説明する。図１は、本発明で用いる単結晶製造装置の一例の概略を示す垂直断面図である。
【００１４】
図１を参照して、結晶製造チャンバ１１内において、アルミナ等のセラミックスからなる耐火物ハウジング８が設けられ、ハウジング８内の中央に、白金、イリジウム等の金属製ルツボ２が、粉末又は中空球状のジルコニア等で構成される断熱材６を介して設置されている。ハウジング８内において、ルツボ２の上方は、必要な長さの単結晶４を保温できるような高さ・空間１０を確保して耐火物構造体９で覆われている。耐火物ハウジング８の頂部壁８ａ及び耐火物構造体９の頂部壁９ａの中央にはそれぞれ開口８ｂ，９ｂが形成されている。下端に種子結晶５を取り付けた引上げ軸７が、図示しない動力源から垂直下方に延びてこれら開口８ｂ，９ｂを貫通している。耐火物ハウジング８の外側には高周波誘導コイル１が巻かれており、コイル１に高周波電流を流すことによりルツボ２を誘導加熱し、ルツボ２内の目的結晶組成の原料融液３を所定温度に維持できるようになされている。また、結晶製造チャンバ１１内全体の雰囲気を所定窒素体積％及び酸素体積％に調整できるようになされている。
【００１５】
図１の製造装置を用いて、ルツボ２内に目的結晶組成となるように各原料を仕込み、結晶製造チャンバ１１内を所定窒素体積％及び酸素体積％に調整された混合ガス雰囲気として、コイル１に高周波電流を流して、各原料を誘導加熱し溶融させ原料融液３を調製し、融液３を所定温度に維持する。その後、この原料融液３に、引上げ軸７下端に取り付けられた種子結晶５を液面に対して垂直に浸漬し、引上げ軸７をゆっくり回転させながら引上げ速度ｖで引き上げ、結晶を成長させる。
【００１６】
次に、図２を参照して、チョコラルスキー法における結晶成長速度ｇと結晶引上げ速度ｖの関係を説明する。図２は、結晶成長速度ｇと結晶引上げ速度ｖの関係を説明するための図であり、引き上げによって結晶４が成長していく過程が表されている。
【００１７】
図２において、結晶引き上げ操作のある時間ｔ０ での原料融液３の液面レベルがＬ０ であり、すなわち、結晶４（あるいは引き上げられ結晶化されるべきもの）の最下面レベルがＬ０ であり、その後ある時間ｔ経過後に、融液３の液面レベルがＬ０ からＬ１ に低下し、時間ｔ０ での結晶４の最下面がレベルＬ０ からＬ２ に上昇したとする。この場合に、結晶の引上げ速度ｖは、ｖ＝（Ｌ２ −Ｌ０ ）／ｔであり、結晶の成長速度ｇは、ｇ＝（Ｌ２ −Ｌ１ ）／ｔである。
【００１８】
ここで、原料融液３が入れられたルツボ２の内径Ｒ（ｍｍ）、結晶４の直径ｒ（ｍｍ）、原料融液３の密度ρｍ （ｇ／ｃｍ３ ）、結晶４の密度ρｃ （ｇ／ｃｍ３ ）とすると、結晶成長速度ｇ（ｍｍ／時間）は、結晶引上げ速度ｖ（ｍｍ／時間）との関係において、
成長速度ｇ＝［ρｍ Ｒ２ ／（ρｍ Ｒ２ −ρｃ ｒ２ ）］・ｖ
で表される。このように、結晶成長速度ｇは、結晶引上げ速度ｖよりも大きく、且つルツボ２の内径Ｒ、結晶４の直径ｒ、原料融液３の密度ρｍ 及び結晶４の密度ρｃ にも依存する。
【００１９】
本発明において、組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）のガーネット単結晶をチョコラルスキー法によって製造するに際して、結晶成長速度ｇを１．７２ｍｍ／時間以下、好ましくは０．８６ｍｍ／時間以上１．７２ｍｍ／時間以下とする。１．７２ｍｍ／時間以下の成長速度ｇであれば、結晶凝固によって発生する凝固潜熱を十分に放熱でき、デンドライト成長が起こらない。その結果、結晶中心（結晶引上げ軸線上）付近にインクルージョンが発生しない。成長速度ｇの下限値については特に限定されないが、単結晶の製造効率を考慮するとよい。
【００２０】
従って、結晶成長速度ｇが１．７２ｍｍ／時間以下となるように、用いるルツボ２の内径Ｒ、得ようとする結晶４の直径ｒ、原料融液３の密度ρｍ 及び結晶４の密度ρｃ を考慮して、結晶引上げ速度ｖを設定する。例えば、組成Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２のＣＮＧＧ単結晶を作製する場合、原料融液３の密度ρｍ は３．６５ｇ／ｃｍ３ であり、結晶４の密度ρｃ は４．７３ｇ／ｃｍ３ であるので、ルツボ内径Ｒが９５ｍｍであり、結晶直径ｒが５４ｍｍの場合には、成長速度ｇは引上げ速度ｖの１．７２倍となる。従って、引上げ速度ｖを１．０ｍｍ／時間以下に設定する。ルツボ内径Ｒに対する結晶直径ｒの比を小さくした場合には、成長速度ｇが１．７２ｍｍ／時間以下となる範囲内において、引上げ速度ｖを１．０ｍｍ／時間よりも大きくしてもよい。
【００２１】
本発明において、０．４体積％以上１０．０体積％未満の酸素を含む雰囲気内で結晶成長させることが好ましい。酸素以外の残部は、窒素、アルゴンなどの不活性ガスとする。結晶成長雰囲気の酸素量が０．４体積％未満では、５価のＮｂが還元されて生じる光吸収により、結晶内部の放熱能力が著しく低下し、デンドライト成長が発生することがある。一方、結晶成長雰囲気の酸素量が１０．０体積以上となると、ルツボ材料であるイリジウム、白金等の金属が、融点１４４５℃程度のＣＮＧＧ単結晶を製造する際に酸化されて融液中に溶融し、融液表面において還元され析出して、結晶の成長に悪影響を与えてしまう。
【００２２】
以上のように、本発明において、結晶成長速度ｇを１．７２ｍｍ／時間以下、好ましくは０．８６ｍｍ／時間以上１．７２ｍｍ／時間以下とし、結晶成長の雰囲気の酸素量を０．４体積％以上１０．０体積％未満とすることが好ましい。このような条件で、ＣＮＧＧ単結晶を成長させると、インクルージョンの発生がない高品質の単結晶が製造される。
【００２３】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例及び比較例において、図１に例示した装置を使用した。
【００２４】
［実施例１］
育成サイズ：２インチ
高周波発振器として周波数７０ｋＨｚのものを用いた。内径９５ｍｍ、深さ１００ｍｍ、及び壁厚２．５ｍｍのイリジウム製ルツボ２内に、原料融液３の組成がＣａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２となるように、各原料ＣａＣＯ３ 、Ｎｂ２ Ｏ５ 及びＧａ２ Ｏ３ を秤量して、原料合計量約２２００ｇを充填した。チャンバ１１内全体を窒素９８．５体積％及び酸素１．５体積％の雰囲気として、コイル１に高周波電流を流して、各原料を約１４５０℃に加熱して溶融させ、原料融液３を調製した。その後、この原料融液３に、引上げ軸７下端に取り付けられた長軸方向が＜１１１＞である５ｍｍ角柱状の上記組成の種子結晶５を融液３の液面に対して垂直に浸漬し、引上げ軸７をゆっくり回転させながら引上げ速度０．５ｍｍ／ｈで引き上げ、直径５４ｍｍ、長さ９０ｍｍの透明単結晶を得た。
【００２５】
図３に示すように、得られた単結晶には、クラック、インクルージョンといった欠陥は全く観察されなかった。次に、得られた単結晶から約１ｇの試料を切り出し、蛍光Ｘ線分析装置で各成分金属元素の定量分析を行ったところ、Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２（ＣＮＧＧ）の組成を有することが確認された。
【００２６】
［実施例２、３］
引上げ速度を０．３ｍｍ／ｈ（実施例２）、１．０ｍｍ／ｈ（実施例３）にそれぞれ変更した以外は、実施例１と全く同じ操作で、直径５４ｍｍ、長さ９０ｍｍの透明単結晶を得た。得られた単結晶にはいずれも、クラック、インクルージョンといった欠陥は全く観察されなかった。また、蛍光Ｘ線分析装置での各成分金属元素の定量分析により、得られた単結晶はいずれも、Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２（ＣＮＧＧ）の組成を有することが確認された。
【００２７】
［比較例１、２］
引上げ速度を１．５ｍｍ／ｈ（比較例１）、３．０ｍｍ／ｈ（比較例２）にそれぞれ変更した以外は、実施例１と全く同じ操作で、直径５４ｍｍ、長さ９０ｍｍの透明単結晶を得た。得られた単結晶にはいずれも、クラックは観察されなかったが、結晶中心（結晶引上げ軸線上）付近にインクルージョンが観察された。また、蛍光Ｘ線分析装置での各成分金属元素の定量分析により、得られた単結晶はいずれも、Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２（ＣＮＧＧ）の組成を有することが確認された。
【００２８】
【表１】
【００２９】
［実施例４〜１１：酸素量］
チャンバ１１内全体の雰囲気を表２に示すようにそれぞれ変更した以外は、実施例１と全く同じ操作で、直径５４ｍｍ、長さ９０ｍｍの透明単結晶を得た。雰囲気の酸素量が０．４体積％〜５．０体積％であると、得られた単結晶にはいずれも、クラック、インクルージョンといった欠陥は全く観察されなかった。雰囲気の酸素量が０．２体積％であると、得られた単結晶には、クラックは観察されなかったが、結晶中心（結晶引上げ軸線上）付近に僅かながらインクルージョンが観察された。酸素量が１０．０体積％であると、得られた単結晶には、クラック、インクルージョンといった欠陥は全く観察されなかった。しかしながら、貴金属の析出が観察された。また、蛍光Ｘ線分析装置での各成分金属元素の定量分析により、得られた単結晶はいずれも、Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２（ＣＮＧＧ）の組成を有することが確認された。
【００３０】
【表２】
【００３１】
［実施例１２］
育成サイズ：３インチ
高周波発振器として周波数１８ｋＨｚのものを用いた。内径１４５ｍｍ、深さ１５０ｍｍ、及び壁厚２．５ｍｍのイリジウム製ルツボ２内に、原料融液３の組成がＣａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２となるように、各原料ＣａＣＯ３ 、Ｎｂ２ Ｏ５ 及びＧａ２ Ｏ３ を秤量して、原料合計量約８０００ｇを充填した。チャンバ１１内全体を窒素９９．５体積％及び酸素０．５体積％の雰囲気として、コイル１に高周波電流を流して、各原料を約１４５０℃に加熱して溶融させ、原料融液３を調製した。その後、この原料融液３に、引上げ軸７下端に取り付けられた長軸方向が＜１１１＞である５ｍｍ角柱状の上記組成の種子結晶５を融液３の液面に対して垂直に浸漬し、引上げ軸７をゆっくり回転させながら引上げ速度０．５ｍｍ／ｈで引き上げ、直径８０ｍｍ、長さ１３５ｍｍの透明単結晶を得た。
【００３２】
図４に示すように、得られた単結晶には、クラック、インクルージョンといった欠陥は全く観察されなかった。次に、得られた単結晶から約１ｇの試料を切り出し、蛍光Ｘ線分析装置で各成分金属元素の定量分析を行ったところ、Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２（ＣＮＧＧ）の組成を有することが確認された。
【００３３】
［比較例３］
育成サイズ：２インチ
高周波発振器として周波数７０ｋＨｚのものを用いた。内径９５ｍｍ、深さ１００ｍｍ、及び壁厚２．５ｍｍのイリジウム製ルツボ２内に、原料融液３の組成がＣａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２となるように、各原料ＣａＣＯ３ 、Ｎｂ２ Ｏ５ 及びＧａ２ Ｏ３ を秤量して、原料合計量約２２００ｇを充填した。チャンバ１１内全体を窒素９９．０体積％及び酸素１．０体積％の雰囲気として、コイル１に高周波電流を流して、各原料を約１４５０℃に加熱して溶融させ、原料融液３を調製した。その後、この原料融液３に、引上げ軸７下端に取り付けられた長軸方向が＜１１１＞である５ｍｍ角柱状の上記組成の種子結晶５を融液３の液面に対して垂直に浸漬し、引上げ軸７をゆっくり回転させながら引上げ速度１．５ｍｍ／ｈで引き上げ、直径５２ｍｍ、長さ９０ｍｍの透明単結晶を得た。
【００３４】
図５に示すように、得られた単結晶には、クラックは観察されなかったが、結晶中心（結晶引上げ軸線上）付近にインクルージョンが観察された。次に、得られた単結晶から約１ｇの試料を切り出し、蛍光Ｘ線分析装置で各成分金属元素の定量分析を行ったところ、Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２（ＣＮＧＧ）の組成を有することが確認された。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、高品質な組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）で表されるガーネット単結晶を製造することができる。とりわけ、結晶中にインクルージョンを発生させることなく、大径の単結晶を製造することができる。本発明で製造される単結晶は、結晶欠陥のないビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を液相エピタキシャル成長させるための単結晶基板として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いる単結晶製造装置の一例の概略を示す垂直断面図である。
【図２】本発明における結晶成長速度ｇと結晶引上げ速度ｖの関係を説明するための図である。
【図３】実施例１で得られた単結晶の写真である。
【図４】実施例１２で得られた単結晶の写真である。
【図５】比較例３で得られた単結晶の写真である。
【符号の説明】
１：高周波誘導コイル
２：ルツボ
３：原料融液
４：単結晶
５：種子結晶
６：断熱材
７：引上げ軸
８：耐火物ハウジング
８ａ：耐火物ハウジング８の頂部壁
８ｂ：開口
９：耐火物構造体
９ａ：耐火物構造体９の頂部壁
９ｂ：開口
１０：空間
１１：結晶製造チャンバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）で表されるガーネット単結晶をチョコラルスキー法によって製造する方法に関し、より詳しくは、結晶中にインクルージョンを発生させることなく、大径の単結晶を製造する方法に関する。本発明で製造される単結晶は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を液相エピタキシャル成長させるための単結晶基板として好適に用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーを用いた通信システムは、従来の電気通信システムに比べて大容量のデータを高速かつ低損失で伝送できることから、近年には幹線通信系、さらには加入者系にまで急速に普及が進んでいる。光ファイバー通信システムにおける光源である半導体レーザーは、外部光によって敏感に影響を受け不安定になることが知られているが、光ファイバー通信の低損失化に伴って、近端だけでなく遠端からの反射光も半導体レーザーに影響を及ぼすようになった。そこでこの反射光の影響を避けるために、光ファイバー通信システムに光アイソレータが使用されている。この光アイソレータは、一般に、偏光子、ファラデー回転子及び検光子から構成されており、順方向の光を低損失で透過させる一方、逆方向からの入射光の通過を阻止する機能を有する。
【０００３】
このような光アイソレータや、光サーキュレータ、光磁界センサー等に用いられるファラデー回転子の材料としては、主に液相エピタキシャル法によって単結晶基板上に成長させたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜が用いられている。このビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜をエピタキシャル成長によって高品質に成膜するためには、成膜温度から室温までの温度領域において、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜と基板単結晶との格子定数差が極力小さいこと、すなわち両者の格子定数及び両者の線膨張係数が非常に近いことが必要条件とされる。
【０００４】
このような条件を満たす単結晶基板として、特開平１０−１３９５９６号公報には、Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）単結晶（以下、ＣＮＧＧ単結晶と略すことがある）からなる基板が提案されている。しかしながら、同号公報に記載のＣＮＧＧ単結晶はクラックはないが結晶中にインクルージョンの発生が見られる。そのため、このＣＮＧＧ単結晶から作製された基板上にビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を成膜すると、成膜された結晶中にクラックの発生は見られないが微小欠陥の発生が見られる。また、前記ＣＮＧＧ単結晶のインクルージョンの発生部位を避けて基板を作製すると、大径の単結晶基板は得られず、結果として、大径のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜が得られない。このように、同号公報に記載のＣＮＧＧ単結晶基板は、高品質のビスマス置換希土類鉄ガーネット膜を成膜するための基板としては、十分高品質であるとは言えない。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１３９５９６号公報
【特許文献２】
ＷＯ ０３／０００９６３号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、結晶欠陥のないビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を液相エピタキシャル成長によって形成するための単結晶基板として好適に用いることができる、高品質な組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）で表されるガーネット単結晶を製造する方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
バルク単結晶作製法の一つとして、チョコラルスキー法（Ｃｚ法；Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ 法）が知られている。チョコラルスキー法は、引上げ軸先端部に付けられた種結晶を原料融液に浸し、回転させながらゆっくりと引き上げて、単結晶を得る方法であり、単結晶引上げ法と呼ばれている。
【０００８】
本発明者は、チョコラルスキー法を用いて成長させたＣＮＧＧ単結晶の欠陥の観察を行った結果、結晶の中心（結晶引上げ軸線上）付近に発生する空隙を伴った欠陥（インクルージョン）が、デンドライト（樹枝状）成長に伴って生じていることを見いだした。このデンドライト成長は結晶凝固によって発生する凝固潜熱を十分に放熱できない状況下で発生しており、結晶化速度や温度勾配を制御することにより、このような欠陥を抑制することができると推察された。
【０００９】
本発明者は、さらに検討を行い、チョコラルスキー法を用いた単結晶基板の製造法において、結晶成長速度を制御することによって、さらに成長雰囲気の酸素量を制御することによって、従来難しかった結晶中のインクルージョンの抑制に成功した。
【００１０】
本発明は、組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）で表され、ガーネット構造を有する単結晶をチョコラルスキー法によって製造する方法であって、１．７２ｍｍ／時間以下の結晶成長速度ｇで結晶成長させることを特徴とする単結晶の製造方法である。
【００１１】
本発明は、０．４体積％以上１０．０体積％未満の酸素を含む雰囲気内で結晶成長させる、前記の単結晶の製造方法である。
【００１２】
本発明において、結晶成長速度ｇ（ｍｍ／時間）は、結晶引上げ速度ｖ（ｍｍ／時間）、原料融液の密度ρｍ （ｇ／ｃｍ３ ）、結晶の密度ρｃ （ｇ／ｃｍ３ ）、原料融液のルツボの内径Ｒ（ｍｍ）、結晶の直径ｒ（ｍｍ）として、
成長速度ｇ＝［ρｍ Ｒ２ ／（ρｍ Ｒ２ −ρｃ ｒ２ ）］・ｖ
で表される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、図１を参照して、本発明のチョコラルスキー法による単結晶製造の概略を説明する。図１は、本発明で用いる単結晶製造装置の一例の概略を示す垂直断面図である。
【００１４】
図１を参照して、結晶製造チャンバ１１内において、アルミナ等のセラミックスからなる耐火物ハウジング８が設けられ、ハウジング８内の中央に、白金、イリジウム等の金属製ルツボ２が、粉末又は中空球状のジルコニア等で構成される断熱材６を介して設置されている。ハウジング８内において、ルツボ２の上方は、必要な長さの単結晶４を保温できるような高さ・空間１０を確保して耐火物構造体９で覆われている。耐火物ハウジング８の頂部壁８ａ及び耐火物構造体９の頂部壁９ａの中央にはそれぞれ開口８ｂ，９ｂが形成されている。下端に種子結晶５を取り付けた引上げ軸７が、図示しない動力源から垂直下方に延びてこれら開口８ｂ，９ｂを貫通している。耐火物ハウジング８の外側には高周波誘導コイル１が巻かれており、コイル１に高周波電流を流すことによりルツボ２を誘導加熱し、ルツボ２内の目的結晶組成の原料融液３を所定温度に維持できるようになされている。また、結晶製造チャンバ１１内全体の雰囲気を所定窒素体積％及び酸素体積％に調整できるようになされている。
【００１５】
図１の製造装置を用いて、ルツボ２内に目的結晶組成となるように各原料を仕込み、結晶製造チャンバ１１内を所定窒素体積％及び酸素体積％に調整された混合ガス雰囲気として、コイル１に高周波電流を流して、各原料を誘導加熱し溶融させ原料融液３を調製し、融液３を所定温度に維持する。その後、この原料融液３に、引上げ軸７下端に取り付けられた種子結晶５を液面に対して垂直に浸漬し、引上げ軸７をゆっくり回転させながら引上げ速度ｖで引き上げ、結晶を成長させる。
【００１６】
次に、図２を参照して、チョコラルスキー法における結晶成長速度ｇと結晶引上げ速度ｖの関係を説明する。図２は、結晶成長速度ｇと結晶引上げ速度ｖの関係を説明するための図であり、引き上げによって結晶４が成長していく過程が表されている。
【００１７】
図２において、結晶引き上げ操作のある時間ｔ０ での原料融液３の液面レベルがＬ０ であり、すなわち、結晶４（あるいは引き上げられ結晶化されるべきもの）の最下面レベルがＬ０ であり、その後ある時間ｔ経過後に、融液３の液面レベルがＬ０ からＬ１ に低下し、時間ｔ０ での結晶４の最下面がレベルＬ０ からＬ２ に上昇したとする。この場合に、結晶の引上げ速度ｖは、ｖ＝（Ｌ２ −Ｌ０ ）／ｔであり、結晶の成長速度ｇは、ｇ＝（Ｌ２ −Ｌ１ ）／ｔである。
【００１８】
ここで、原料融液３が入れられたルツボ２の内径Ｒ（ｍｍ）、結晶４の直径ｒ（ｍｍ）、原料融液３の密度ρｍ （ｇ／ｃｍ３ ）、結晶４の密度ρｃ （ｇ／ｃｍ３ ）とすると、結晶成長速度ｇ（ｍｍ／時間）は、結晶引上げ速度ｖ（ｍｍ／時間）との関係において、
成長速度ｇ＝［ρｍ Ｒ２ ／（ρｍ Ｒ２ −ρｃ ｒ２ ）］・ｖ
で表される。このように、結晶成長速度ｇは、結晶引上げ速度ｖよりも大きく、且つルツボ２の内径Ｒ、結晶４の直径ｒ、原料融液３の密度ρｍ 及び結晶４の密度ρｃ にも依存する。
【００１９】
本発明において、組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）のガーネット単結晶をチョコラルスキー法によって製造するに際して、結晶成長速度ｇを１．７２ｍｍ／時間以下、好ましくは０．８６ｍｍ／時間以上１．７２ｍｍ／時間以下とする。１．７２ｍｍ／時間以下の成長速度ｇであれば、結晶凝固によって発生する凝固潜熱を十分に放熱でき、デンドライト成長が起こらない。その結果、結晶中心（結晶引上げ軸線上）付近にインクルージョンが発生しない。成長速度ｇの下限値については特に限定されないが、単結晶の製造効率を考慮するとよい。
【００２０】
従って、結晶成長速度ｇが１．７２ｍｍ／時間以下となるように、用いるルツボ２の内径Ｒ、得ようとする結晶４の直径ｒ、原料融液３の密度ρｍ 及び結晶４の密度ρｃ を考慮して、結晶引上げ速度ｖを設定する。例えば、組成Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２のＣＮＧＧ単結晶を作製する場合、原料融液３の密度ρｍ は３．６５ｇ／ｃｍ３ であり、結晶４の密度ρｃ は４．７３ｇ／ｃｍ３ であるので、ルツボ内径Ｒが９５ｍｍであり、結晶直径ｒが５４ｍｍの場合には、成長速度ｇは引上げ速度ｖの１．７２倍となる。従って、引上げ速度ｖを１．０ｍｍ／時間以下に設定する。ルツボ内径Ｒに対する結晶直径ｒの比を小さくした場合には、成長速度ｇが１．７２ｍｍ／時間以下となる範囲内において、引上げ速度ｖを１．０ｍｍ／時間よりも大きくしてもよい。
【００２１】
本発明において、０．４体積％以上１０．０体積％未満の酸素を含む雰囲気内で結晶成長させることが好ましい。酸素以外の残部は、窒素、アルゴンなどの不活性ガスとする。結晶成長雰囲気の酸素量が０．４体積％未満では、５価のＮｂが還元されて生じる光吸収により、結晶内部の放熱能力が著しく低下し、デンドライト成長が発生することがある。一方、結晶成長雰囲気の酸素量が１０．０体積以上となると、ルツボ材料であるイリジウム、白金等の金属が、融点１４４５℃程度のＣＮＧＧ単結晶を製造する際に酸化されて融液中に溶融し、融液表面において還元され析出して、結晶の成長に悪影響を与えてしまう。
【００２２】
以上のように、本発明において、結晶成長速度ｇを１．７２ｍｍ／時間以下、好ましくは０．８６ｍｍ／時間以上１．７２ｍｍ／時間以下とし、結晶成長の雰囲気の酸素量を０．４体積％以上１０．０体積％未満とすることが好ましい。このような条件で、ＣＮＧＧ単結晶を成長させると、インクルージョンの発生がない高品質の単結晶が製造される。
【００２３】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例及び比較例において、図１に例示した装置を使用した。
【００２４】
［実施例１］
育成サイズ：２インチ
高周波発振器として周波数７０ｋＨｚのものを用いた。内径９５ｍｍ、深さ１００ｍｍ、及び壁厚２．５ｍｍのイリジウム製ルツボ２内に、原料融液３の組成がＣａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２となるように、各原料ＣａＣＯ３ 、Ｎｂ２ Ｏ５ 及びＧａ２ Ｏ３ を秤量して、原料合計量約２２００ｇを充填した。チャンバ１１内全体を窒素９８．５体積％及び酸素１．５体積％の雰囲気として、コイル１に高周波電流を流して、各原料を約１４５０℃に加熱して溶融させ、原料融液３を調製した。その後、この原料融液３に、引上げ軸７下端に取り付けられた長軸方向が＜１１１＞である５ｍｍ角柱状の上記組成の種子結晶５を融液３の液面に対して垂直に浸漬し、引上げ軸７をゆっくり回転させながら引上げ速度０．５ｍｍ／ｈで引き上げ、直径５４ｍｍ、長さ９０ｍｍの透明単結晶を得た。
【００２５】
図３に示すように、得られた単結晶には、クラック、インクルージョンといった欠陥は全く観察されなかった。次に、得られた単結晶から約１ｇの試料を切り出し、蛍光Ｘ線分析装置で各成分金属元素の定量分析を行ったところ、Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２（ＣＮＧＧ）の組成を有することが確認された。
【００２６】
［実施例２、３］
引上げ速度を０．３ｍｍ／ｈ（実施例２）、１．０ｍｍ／ｈ（実施例３）にそれぞれ変更した以外は、実施例１と全く同じ操作で、直径５４ｍｍ、長さ９０ｍｍの透明単結晶を得た。得られた単結晶にはいずれも、クラック、インクルージョンといった欠陥は全く観察されなかった。また、蛍光Ｘ線分析装置での各成分金属元素の定量分析により、得られた単結晶はいずれも、Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２（ＣＮＧＧ）の組成を有することが確認された。
【００２７】
［比較例１、２］
引上げ速度を１．５ｍｍ／ｈ（比較例１）、３．０ｍｍ／ｈ（比較例２）にそれぞれ変更した以外は、実施例１と全く同じ操作で、直径５４ｍｍ、長さ９０ｍｍの透明単結晶を得た。得られた単結晶にはいずれも、クラックは観察されなかったが、結晶中心（結晶引上げ軸線上）付近にインクルージョンが観察された。また、蛍光Ｘ線分析装置での各成分金属元素の定量分析により、得られた単結晶はいずれも、Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２（ＣＮＧＧ）の組成を有することが確認された。
【００２８】
【表１】
［実施例４〜１１：酸素量］
チャンバ１１内全体の雰囲気を表２に示すようにそれぞれ変更した以外は、実施例１と全く同じ操作で、直径５４ｍｍ、長さ９０ｍｍの透明単結晶を得た。雰囲気の酸素量が０．４体積％〜５．０体積％であると、得られた単結晶にはいずれも、クラック、インクルージョンといった欠陥は全く観察されなかった。雰囲気の酸素量が０．２体積％であると、得られた単結晶には、クラックは観察されなかったが、結晶中心（結晶引上げ軸線上）付近に僅かながらインクルージョンが観察された。酸素量が１０．０体積％であると、得られた単結晶には、クラック、インクルージョンといった欠陥は全く観察されなかった。しかしながら、貴金属の析出が観察された。また、蛍光Ｘ線分析装置での各成分金属元素の定量分析により、得られた単結晶はいずれも、Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２（ＣＮＧＧ）の組成を有することが確認された。
【００３０】
【表２】
［実施例１２］
育成サイズ：３インチ
高周波発振器として周波数１８ｋＨｚのものを用いた。内径１４５ｍｍ、深さ１５０ｍｍ、及び壁厚２．５ｍｍのイリジウム製ルツボ２内に、原料融液３の組成がＣａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２となるように、各原料ＣａＣＯ３ 、Ｎｂ２ Ｏ５ 及びＧａ２ Ｏ３ を秤量して、原料合計量約８０００ｇを充填した。チャンバ１１内全体を窒素９９．５体積％及び酸素０．５体積％の雰囲気として、コイル１に高周波電流を流して、各原料を約１４５０℃に加熱して溶融させ、原料融液３を調製した。その後、この原料融液３に、引上げ軸７下端に取り付けられた長軸方向が＜１１１＞である５ｍｍ角柱状の上記組成の種子結晶５を融液３の液面に対して垂直に浸漬し、引上げ軸７をゆっくり回転させながら引上げ速度０．５ｍｍ／ｈで引き上げ、直径８０ｍｍ、長さ１３５ｍｍの透明単結晶を得た。
【００３２】
図４に示すように、得られた単結晶には、クラック、インクルージョンといった欠陥は全く観察されなかった。次に、得られた単結晶から約１ｇの試料を切り出し、蛍光Ｘ線分析装置で各成分金属元素の定量分析を行ったところ、Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２（ＣＮＧＧ）の組成を有することが確認された。
【００３３】
［比較例３］
育成サイズ：２インチ
高周波発振器として周波数７０ｋＨｚのものを用いた。内径９５ｍｍ、深さ１００ｍｍ、及び壁厚２．５ｍｍのイリジウム製ルツボ２内に、原料融液３の組成がＣａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２となるように、各原料ＣａＣＯ３ 、Ｎｂ２ Ｏ５ 及びＧａ２ Ｏ３ を秤量して、原料合計量約２２００ｇを充填した。チャンバ１１内全体を窒素９９．０体積％及び酸素１．０体積％の雰囲気として、コイル１に高周波電流を流して、各原料を約１４５０℃に加熱して溶融させ、原料融液３を調製した。その後、この原料融液３に、引上げ軸７下端に取り付けられた長軸方向が＜１１１＞である５ｍｍ角柱状の上記組成の種子結晶５を融液３の液面に対して垂直に浸漬し、引上げ軸７をゆっくり回転させながら引上げ速度１．５ｍｍ／ｈで引き上げ、直径５２ｍｍ、長さ９０ｍｍの透明単結晶を得た。
【００３４】
図５に示すように、得られた単結晶には、クラックは観察されなかったが、結晶中心（結晶引上げ軸線上）付近にインクルージョンが観察された。次に、得られた単結晶から約１ｇの試料を切り出し、蛍光Ｘ線分析装置で各成分金属元素の定量分析を行ったところ、Ｃａ３ Ｎｂ１．６９Ｇａ３．１９Ｏ１２（ＣＮＧＧ）の組成を有することが確認された。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、高品質な組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）で表されるガーネット単結晶を製造することができる。とりわけ、結晶中にインクルージョンを発生させることなく、大径の単結晶を製造することができる。本発明で製造される単結晶は、結晶欠陥のないビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を液相エピタキシャル成長させるための単結晶基板として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いる単結晶製造装置の一例の概略を示す垂直断面図である。
【図２】本発明における結晶成長速度ｇと結晶引上げ速度ｖの関係を説明するための図である。
【図３】実施例１で得られた単結晶の写真である。
【図４】実施例１２で得られた単結晶の写真である。
【図５】比較例３で得られた単結晶の写真である。
【符号の説明】
１：高周波誘導コイル
２：ルツボ
３：原料融液
４：単結晶
５：種子結晶
６：断熱材
７：引上げ軸
８：耐火物ハウジング
８ａ：耐火物ハウジング８の頂部壁
８ｂ：開口
９：耐火物構造体
９ａ：耐火物構造体９の頂部壁
９ｂ：開口
１０：空間
１１：結晶製造チャンバ
Claims (2)
- 組成Ｃａｘ Ｎｂｙ Ｇａｚ Ｏ１２（２．９＜ｘ＜３．１、１．６＜ｙ＜１．８、３．１＜ｚ＜３．３）で表され、ガーネット構造を有する単結晶をチョコラルスキー法によって製造する方法であって、１．７２ｍｍ／時間以下の結晶成長速度で結晶成長させることを特徴とする単結晶の製造方法。
- ０．４体積％以上１０．０体積％未満の酸素を含む雰囲気内で結晶成長させる、請求項１に記載の単結晶の製造方法。
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