JP2016056055A

JP2016056055A - ＣａＭｇＺｒ置換型ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＳＧＧＧ）単結晶の育成方法

Info

Publication number: JP2016056055A
Application number: JP2014182970A
Authority: JP
Inventors: 松井　正好; Masayoshi Matsui; 正好松井; 辰宮　一樹; Kazuki Tatsumiya; 一樹辰宮; 大輔土橋; Daisuke Dobashi
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2016-04-21

Abstract

【課題】育成された単結晶の直胴部全体に亘ってクラックや結晶曲りがないチョクラルスキー法によるＳＧＧＧ単結晶の育成方法を提供する。【解決手段】結晶育成炉１内の原料融液９表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配を７〜１４℃／ｃｍ、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配を１９〜２３℃／ｃｍの範囲に維持すると共に、直胴部７上端から０ｍｍ〜３０ｍｍまでの直胴部の育成中、種結晶６の回転数を２２〜３０ｒｐｍ内の一定値に設定し、直胴部上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部の育成中、上記一定値から一定の比率で回転数を減少させて直胴部上端から８３ｍｍ直胴部が育成した時点における種結晶の回転数が１８〜２１ｒｐｍとなるように管理しながらＳＧＧＧ単結晶の直胴部を育成することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ＣａＭｇＺｒ置換型ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＳＧＧＧ）単結晶の育成方法に係り、特に、育成されたＳＧＧＧ単結晶の直胴部全体に亘ってクラックや結晶曲りがないＳＧＧＧ単結晶の育成方法に関するものである。

光アイソレータは、磁界を印加することにより入射光の偏光面を回転させるファラデー回転子を有しており、近年、光アイソレータは、光通信の分野だけでなくファイバーレーザー加工機にも使用されるようになってきている。

このような光アイソレータに使用されるファラデー回転子の材料として、ＣａＭｇＺｒ置換型ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（Substituted Ｇｄ₅Ｇａ₃Ｏ₁₂：ＳＧＧＧ）単結晶を基板（非磁性ガーネット単結晶基板）とし、この基板上に液相エピタキシャル成長させて得られる希土類鉄ガーネット（ＲＩＧ：Rare-earth iron garnet）等の酸化物ガーネット単結晶膜が知られている（非特許文献１参照）。

尚、上記ＣａＭｇＺｒ置換型ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＳＧＧＧ）単結晶は、（Ｇｄ_3-xＣａ_x）（Ｇａ_5-x-2yＭｇ_yＺｒ_x+y）Ｏ₁₂、（ＧｄＣａ）₃（ＧａＭｇＺｒ）₅Ｏ₁₂等の組成式で表わされる。

そして、非磁性ガーネット単結晶基板は、従来、以下のようにして製造されている。

まず、結晶育成炉内に配置された坩堝の原料融液に種結晶を接触させ、かつ、種結晶を回転させながら上方に引上げるチョクラルスキー（ＣＺ）法よって肩部と直胴部を有するＳＧＧＧ単結晶インゴットを育成する。

次いで、内周刃切断機等の装置によりＳＧＧＧ単結晶インゴットの肩部を切断して直胴部を得、この直胴部を円筒状に研削し、かつ、内周刃切断機またはワイヤーソー等で所望の厚さのウエハに切断した後、このウエハを所望の条件で研磨加工して上記非磁性ガーネット単結晶基板は製造されている。

ところで、チョクラルスキー（ＣＺ）法によりＳＧＧＧ単結晶を育成する場合、上記肩部においては、種結晶からの成長距離に伴い結晶直径が徐々に増加するため上記直胴部とは異なる内部応力が発生する。このため、肩部や肩部と直胴部の境界部分に結晶欠陥が導入されたり、肩部形状による内部歪が原因で成長した結晶にクラックと呼ばれるヒビが入ったり、結晶が割れてしまったりする不具合が発生するため、肩部の育成に関しては、従来、転位等の結晶欠陥やファセット成長を抑制するための界面反転手法を含め詳細な制御方法が開発されている（特許文献１参照）。

他方、結晶直径が略一定である上記直胴部の育成に関しては、肩部の育成に較べて欠陥が導入され難いと考えられており、適正な育成条件が未だ確立されていない。

そして、チョクラルスキー（ＣＺ）法によりＳＧＧＧ単結晶の直胴部を育成する場合、転位の発生を抑制する観点から原料融液表面上の雰囲気における温度勾配を緩く（例えば、４℃程度／ｃｍ以下）設定する方法が採られ、種結晶における回転数の条件については未だ確立されていなかった。

しかし、原料融液表面上の雰囲気における温度勾配を緩く設定してＳＧＧＧ単結晶の直胴部を育成した場合、目的とする結晶面とは別の結晶面のファセット成長が顕著になり［例えば、＜１１１＞結晶方位に成長させた場合、（２１１）結晶面のファセット成長が顕著になる］、ファセット部とオフファセット部とで格子定数に差異が生じ、ファセット部とオフファセット部の境界に応力が生じる結果、育成されるＳＧＧＧ単結晶の直胴部にクラックが発生し、また、ＳＧＧＧ単結晶の成長中に螺旋状に捩じれてしまい、結晶形状の制御が困難となる問題が存在した。また、ＳＧＧＧ単結晶の直胴部を育成する際、種結晶の回転数を適正な条件に制御しない場合も上記ファセット成長が発生し、ＳＧＧＧ単結晶の直胴部全体に亘ってクラックや結晶曲りを起こす問題が存在した。

特開２００５−２９４００号公報（特許請求の範囲参照）

D.Mateika, R.Laurien, Ch.Rusche,J. Crystal Growth 56(1982)677

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、育成されたＳＧＧＧ単結晶の直胴部全体に亘ってクラックや結晶曲りがないＳＧＧＧ単結晶の育成方法を提供することにある。

そこで、上記課題を解決するため本発明者が鋭意検討した結果、融液上の融液近傍の雰囲気の温度勾配と融液から離れた雰囲気の温度勾配を所定の値に管理し、かつ、種結晶における回転数の条件を適正化することで解決し得ることを見出すに至った。

すなわち、本発明に係る第１の発明は、
結晶育成炉内に配置された坩堝の原料融液に種結晶を接触させ、かつ、上記種結晶を回転させながら引き上げてＣａＭｇＺｒ置換型ガドリニウム・ガリウム・ガーネット単結晶（Substituted Ｇｄ₅Ｇａ₃Ｏ₁₂：ＳＧＧＧ）を育成するチョクラルスキー（ＣＺ：Czochralski）法によるＳＧＧＧ単結晶の育成方法において、
上記ＳＧＧＧ単結晶における直胴部の育成に際し、結晶育成炉内の原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配を７〜１４℃／ｃｍ、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配を１９〜２３℃／ｃｍの範囲に維持すると共に、直胴部上端から０ｍｍ〜３０ｍｍまでの直胴部の育成中、上記種結晶の回転数を２２〜３０ｒｐｍ内の一定値に設定し、直胴部上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部の育成中、上記一定値から一定の比率で回転数を減少させて直胴部上端から８３ｍｍ直胴部が育成した時点における種結晶の回転数が１８〜２１ｒｐｍとなるようにしたことを特徴とする。

次に、第２の発明は、
第１の発明に記載のＳＧＧＧ単結晶の育成方法において、
上記直胴部上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部の育成中、上記一定値から一定の比率で回転数を減少させて直胴部上端から８３ｍｍ直胴部が育成した時点における種結晶の回転数が１８〜２０ｒｐｍとなるようにしたことを特徴とし、
第３の発明は、
第１の発明または第２の発明に記載のＳＧＧＧ単結晶の育成方法において、
ＳＧＧＧ単結晶における直胴部の育成に対応した結晶育成炉内における引き上げ方向のホットゾーン条件を事前に設定し、かつ、直胴部の育成中における原料融液表面の引き上げ方向の位置を計測すると共に、計測された原料融液表面の位置データに対応したホットゾーン条件に調整して原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配と１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配を上記数値範囲に維持することを特徴とし、
また、第４の発明は、
第１の発明〜第３の発明のいずれかに記載のＳＧＧＧ単結晶の育成方法において、
上記種結晶表面における結晶方位が＜１１１＞であることを特徴とするものである。

本発明に係るＳＧＧＧ単結晶の育成方法によれば、
結晶育成炉内の原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配を７〜１４℃／ｃｍ、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配を１９〜２３℃／ｃｍの範囲に維持すると共に、直胴部上端から０ｍｍ〜３０ｍｍまでの直胴部の育成中、上記種結晶の回転数を２２〜３０ｒｐｍ内の一定値に設定し、直胴部上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部の育成中、上記一定値から一定の比率で回転数を減少させて直胴部上端から８３ｍｍ直胴部が育成した時点における種結晶の回転数が１８〜２１ｒｐｍとなるように管理しながらＳＧＧＧ単結晶の直胴部を育成するため、ファセット成長と転位が抑制されてクラックや結晶曲りがないＳＧＧＧ単結晶を育成することが可能となる。

本発明に係るＳＧＧＧ単結晶の育成方法に用いられる製造装置の概略構成を示す説明図。本発明に係るＳＧＧＧ単結晶の肩部と直胴部を示す説明図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係るＣａＭｇＺｒ置換型ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＳＧＧＧ）単結晶の育成方法に用いられる製造装置の概略構成を示す説明図である。

この製造装置は、公知のチョクラルスキー法によりＳＧＧＧ単結晶を育成する育成炉１を備えている。育成炉１の構造を簡単に説明すると、育成炉１は、筒状のチャンバー２と、このチャンバー２の内側に設置された高周波コイル１０と、この高周波コイル１０の内側に配置された断熱材３およびイリジウム製坩堝８を有している。尚、上記育成炉１の寸法は、製造するＳＧＧＧ単結晶の大きさに依存するが、一例として直径０．６ｍ、高さ１ｍ程度である。

また、上記育成炉１には開口部（図示せず）が２箇所設けられており、これ等開口部を介して不活性ガス、好適には窒素ガスが給排され、結晶育成時のチャンバー２内は不活性ガスで満たされる。尚、育成炉１内には、上記坩堝８底部の下側に温度を計測する図示外の温度計（熱電対）が設置されている。

また、上記高周波コイル１０は銅管で構成され、図示外の制御部を通じ投入電力が制御されて坩堝８が高周波加熱されると共に温度調節がなされる。また、上記チャンバー２の内側で高周波コイル１０内には断熱材３が配置されており、複数の断熱材３により囲まれた雰囲気によりホットゾーン５が形成されている。

上記ホットゾーン５の温度勾配は断熱材３の形状と構成（材質）によって広範囲に変化させることができ、育成する単結晶の種類に合わせ断熱材３の形状と構成を設計して適正なホットゾーン５の温度勾配を形成する。更に、高周波コイル１０の坩堝８に対する相対位置を調整することによりホットゾーン５の温度勾配を微調整することができる。尚、上記断熱材３は、高融点の耐火物により構成されている。

また、上記坩堝８はカップ状に形成され、その底部が断熱材３上に配置されかつ断熱材３により保持されている。また、坩堝８の上方側には、種結晶６と成長したＳＧＧＧ単結晶を保持しかつ引き上げるための引き上げ軸４が設置されており、引き上げ軸４は軸線を中心に回転させることができる。

そして、坩堝８内に原料を充填し、育成炉１のチャンバー２内に上記坩堝８を配置しかつ高周波コイル１０により加熱して原料を融解させ、その後、原料融液９に種結晶６を接触させて徐々に温度を降下させ、同時に引き上げ軸４を徐々に引き上げることにより種結晶の下部側において原料融液９を順次結晶化させる。そして、育成条件に従い高周波コイル１０への投入電力を調整し、所望とする直径のＳＧＧＧ単結晶７を育成することが可能となる。

尚、ＳＧＧＧ単結晶７の肩部１１を育成するとき、ファセット成長に伴う歪の発生を抑制するため、「界面反転操作」を行って界面形状を凸から平坦にしている。また、単結晶育成に係る一連の温度モニタは上記温度計（熱電対）により行われる。

そして、育成されたＳＧＧＧ単結晶は育成炉１から取出し、熱歪を除去するアニール処理を行なってから、規格に合わせた厚さの非磁性ガーネット単結晶基板に加工される。

また、ＳＧＧＧ［（ＧｄＣａ）₃（ＧａＭｇＺｒ）₅Ｏ₁₂］結晶の原料には、酸化ガドリニウム（Ｇｄ₂Ｏ₃）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）、酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）を適用するが、これ等原料の配合比は育成する単結晶の組成と育成条件によって決定される。

ところで、本発明に係るＳＧＧＧ単結晶の育成方法は、従来の育成条件（原料融液の加熱条件、界面反転操作等の従来から採用されている自動制御による条件）を維持したまま、結晶育成炉内の原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配を７〜１４℃／ｃｍ、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配を１９〜２３℃／ｃｍの範囲に維持すると共に、直胴部７上端から０ｍｍ〜３０ｍｍまでの直胴部７の育成中、上記種結晶６の回転数を２２〜３０ｒｐｍ内の一定値に設定し、直胴部７上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部７の育成中、上記一定値から一定の比率で回転数を減少させて直胴部７上端から８３ｍｍ直胴部が育成した時点における種結晶６の回転数が１８〜２１ｒｐｍとなるように管理しながらＳＧＧＧ単結晶の直胴部７を育成することを特徴としている。

このため、ＳＧＧＧ単結晶の成長に対応した育成炉１内における引き上げ方向の「ホットゾーン条件」が事前に設定されている。すなわち、ＳＧＧＧ単結晶の成長に伴い坩堝８内の原料が消費されるため、原料融液表面における引き上げ方向の位置が低下しかつ坩堝８内の原料融液量も減少する。このため、原料融液表面における引き上げ方向の変位に対応させて、予備実験等により原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が７〜１４℃／ｃｍ、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が１９〜２３℃／ｃｍの範囲内に維持される育成炉１内における引き上げ方向の「ホットゾーン条件」を事前に求めて設定することを要する。

そして、予備実験により「ホットゾーン条件」を事前に設定する際、ホットゾーン５における温度分布の測定は以下のようにして行っている。すなわち、坩堝８にＳＧＧＧ結晶の原料を入れると共に、この状態で、結晶育成時に種結晶６が取り付けられる引き上げ軸４に熱電対を取り付け、かつ、原料表面から上記熱電対を徐々に引き上げながらホットゾーン５における引き上げ方向の温度を順次記録する方法により行っている。但し、予備実験においては「Ｂ熱電対」を適用しているため、坩堝８内の原料が融解しない条件において行っている。

また、結晶育成時において原料融液表面の引き上げ方向位置を計測する方法として、例えば、光センサ等により直接計測する方法、あるいは、重量計により育成されたＳＧＧＧ単結晶の重量を測定しかつ坩堝８内の原料消費に伴う原料融液表面の変位を計算により求める方法等が挙げられる。

そして、本発明に係るＳＧＧＧ単結晶の育成方法においては、上述したように育成炉１内の原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配と１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が所定の数値範囲（原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が７〜１４℃／ｃｍ、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が１９〜２３℃／ｃｍの範囲）に維持すると共に、直胴部７上端から０ｍｍ〜３０ｍｍまでの直胴部７の育成中、上記種結晶６の回転数を２２〜３０ｒｐｍ内の一定値に設定し、直胴部７上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部７の育成中、上記一定値から一定の比率で回転数を減少させて直胴部７上端から８３ｍｍ直胴部が育成した時点における種結晶６の回転数が１８〜２１ｒｐｍとなるように管理しながらＳＧＧＧ単結晶の直胴部７を育成していることから、ファセット成長と転位の両方が抑制されてクラックや結晶曲りがないＳＧＧＧ単結晶の直胴部７を製造することができる。

尚、原料融液表面上の雰囲気における温度勾配が緩い（例えば、４℃／ｃｍ以下）場合と比較し、原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が７〜１４℃／ｃｍ、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が１９〜２３℃／ｃｍの範囲に入るように維持した場合に上記「ファセット成長」と「転位」の発生が抑制される理由について、本発明者は以下のように推測している。

原料融液表面上の雰囲気における温度勾配が緩い（例えば、４℃／ｃｍ以下）と、上記温度勾配がきつい場合に較べて、結晶育成時における同じ幅の温度変動でも、温度分布の変動する空間的な領域が広くなり、結晶成長の軸対称性が崩れやすくなり、この結果、結晶の捩れが発生し易くなると推測している。また、原料融液表面上の雰囲気における温度勾配が緩いと、成長し易い結晶面（ファセット成長面）が現れ易くなるのに対し、上記温度勾配がきついと融点の等温線に対応した形状の固液界面が形成される結果、ファセット成長が抑制されると推測している。

以下、本発明の実施例について比較例を挙げて具体的に説明する。

尚、ＳＧＧＧ単結晶の育成装置には図１に示す製造装置を用い、ＳＧＧＧ単結晶の原料には、試薬１級の酸化ガドリニウム（Ｇｄ₂Ｏ₃）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）、酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）を適用した。

また、既に確立されている肩部に係る従来の育成条件に従ってＳＧＧＧ結晶の肩部を育成した後、以下の実施例並びに比較例に記載された育成条件に基づきＳＧＧＧ結晶の直胴部をそれぞれ育成している。

［実施例１］
予備実験により事前に求めたＳＧＧＧ単結晶の成長に対応した「ホットゾーン条件」に従い、原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が７℃/ｃｍ（７〜１４℃／ｃｍの範囲内）、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が１９℃/ｃｍ（１９〜２３℃／ｃｍの範囲内）の条件で、直胴部の直径８３ｍｍ、長さ８６ｍｍのＳＧＧＧ単結晶を育成した。

尚、直胴部上端から０ｍｍ〜３０ｍｍまでの直胴部を育成する際には、種結晶の回転数を２２ｒｐｍ（２２〜３０ｒｐｍ内の一定値）に設定し、直胴部上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部を育成する際には、上記２２ｒｐｍから一定の比率で回転数を減少させて直胴部上端から８３ｍｍ直胴部が育成した時点での種結晶の回転数が１８ｒｐｍ（１８〜２１ｒｐｍの範囲内）となるように管理しながらＳＧＧＧ単結晶の直胴部を育成した。

得られたＳＧＧＧ単結晶の直胴部にはファセットや捩れの発生が見られず、かつ、クラックの発生もなかった。

得られたＳＧＧＧ単結晶を１６００℃、大気雰囲気にて８０時間保持し、かつ、３０時間かけて室温まで冷却する「アニール処理」を施した後、加工してＳＧＧＧ単結晶から成る基板（ＳＧＧＧ単結晶基板：非磁性ガーネット単結晶基板）を得た。

そして、ＳＧＧＧ単結晶における直胴部両端の切れ端を除いて７６ｍｍから上記基板を切断することができ、直胴部長の収率は８８％と良好であった。

［実施例２］
実施例１と同様の方法により、原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が１４℃/ｃｍ（７〜１４℃／ｃｍの範囲内）、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が２３℃/ｃｍ（１９〜２３℃／ｃｍの範囲内）の条件で、直胴部の直径８３ｍｍ、長さ８６ｍｍのＳＧＧＧ単結晶を育成した。

尚、直胴部上端から０ｍｍ〜３０ｍｍまでの直胴部を育成する際には、種結晶の回転数を３０ｒｐｍ（２２〜３０ｒｐｍ内の一定値）に設定し、直胴部上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部を育成する際には、上記３０ｒｐｍから一定の比率で回転数を減少させて直胴部上端から８３ｍｍ直胴部が育成した時点での種結晶の回転数が２０ｒｐｍ（１８〜２１ｒｐｍの範囲内）となるように管理しながらＳＧＧＧ単結晶の直胴部を育成した。

［実施例３］
実施例１と同様の方法により、原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が１０℃/ｃｍ（７〜１４℃／ｃｍの範囲内）、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が２１℃/ｃｍ（１９〜２３℃／ｃｍの範囲内）の条件で、直胴部の直径８３ｍｍ、長さ１００ｍｍのＳＧＧＧ単結晶を育成した。

尚、直胴部上端から０ｍｍ〜３０ｍｍまでの直胴部を育成する際には、種結晶の回転数を２５ｒｐｍ（２２〜３０ｒｐｍ内の一定値）に設定し、直胴部上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部を育成する際には、上記２５ｒｐｍから一定の比率で回転数を減少させて直胴部上端から８３ｍｍ直胴部が育成した時点での種結晶の回転数が２０ｒｐｍ（１８〜２１ｒｐｍの範囲内）となるように管理しながらＳＧＧＧ単結晶の直胴部を育成した。

そして、ＳＧＧＧ単結晶における直胴部両端の切れ端を除いて９０ｍｍから上記基板を切断することができ、直胴部長の収率は９０％と良好であった。

［実施例４］
実施例１と同様の方法により、原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が１０℃/ｃｍ（７〜１４℃／ｃｍの範囲内）、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が２１℃/ｃｍ（１９〜２３℃／ｃｍの範囲内）の条件で、直胴部の直径８３ｍｍ、長さ１２０ｍｍのＳＧＧＧ単結晶を育成した。

そして、ＳＧＧＧ単結晶における直胴部両端の切れ端を除いて１１０ｍｍから上記基板を切断することができ、直胴部長の収率は９２％と良好であった。

［実施例５］
実施例１と同様の方法により、原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が７℃/ｃｍ（７〜１４℃／ｃｍの範囲内）、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が１９℃/ｃｍ（１９〜２３℃／ｃｍの範囲内）の条件で、直胴部の直径８３ｍｍ、長さ８６ｍｍのＳＧＧＧ単結晶を育成した。

尚、直胴部上端から０ｍｍ〜３０ｍｍまでの直胴部を育成する際には、種結晶の回転数を２２ｒｐｍ（２２〜３０ｒｐｍ内の一定値）に設定し、直胴部上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部を育成する際には、上記２２ｒｐｍから一定の比率で回転数を減少させて直胴部上端から８３ｍｍ直胴部が育成した時点での種結晶の回転数が２１ｒｐｍ（１８〜２１ｒｐｍの範囲内）となるように管理しながらＳＧＧＧ単結晶の直胴部を育成した。

得られたＳＧＧＧ単結晶の直胴部には若干の捩れの発生が確認されたが、クラックの発生はなかった。

そして、ＳＧＧＧ単結晶における直胴部両端の切れ端と結晶曲りの部分を除いて４６ｍｍから上記基板を切断することができ、直胴部長の収率は５３％であった。

［比較例１］
実施例１と同様の方法により、原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が４℃/ｃｍ（７〜１４℃／ｃｍの範囲外）、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が３℃/ｃｍ（１９〜２３℃／ｃｍの範囲外）の条件で、直胴部の直径８３ｍｍ、長さ８７ｍｍのＳＧＧＧ単結晶を育成した。

得られたＳＧＧＧ単結晶には大きなファセットが見られ、かつ、得られた結晶全体にクラックが発生し、加工することはできなかった。

このため、直胴部長の収率は０％であった。

［比較例２］
実施例１と同様の方法により、原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が７℃/ｃｍ（７〜１４℃／ｃｍの範囲内）、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が１９℃/ｃｍ（１９〜２３℃／ｃｍの範囲内）の条件で、直胴部の直径８３ｍｍ、長さ８７ｍｍのＳＧＧＧ単結晶を育成した。

尚、直胴部上端から０ｍｍ〜３０ｍｍまでの直胴部を育成する際、および、直胴部上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部を育成する際の両方共、種結晶の回転数を３０ｒｐｍ（２２〜３０ｒｐｍ内の一定値）に設定してＳＧＧＧ単結晶の直胴部を育成した。

得られた結晶全体にクラックが発生し、加工することはできなかったため、直胴部長の収率は０％であった。

そして、ＳＧＧＧ単結晶を原料融液から切り離したときの成長界面形状を反映する結晶底面が凹型であったことから、歪が蓄積してクラックが発生したと考えられる。

［比較例３］
実施例１と同様の方法により、原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が７℃/ｃｍ（７〜１４℃／ｃｍの範囲内）、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配が１９℃/ｃｍ（１９〜２３℃／ｃｍの範囲内）の条件で、直胴部の直径８３ｍｍ、長さ８７ｍｍのＳＧＧＧ単結晶を育成した。

尚、直胴部上端から０ｍｍ〜３０ｍｍまでの直胴部を育成する際には、種結晶の回転数を２２ｒｐｍ（２２〜３０ｒｐｍ内の一定値）に設定し、直胴部上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部を育成する際には、上記２２ｒｐｍから一定の比率で回転数を減少させて直胴部上端から８３ｍｍ直胴部が育成した時点での種結晶の回転数が１４ｒｐｍ（１８〜２１ｒｐｍの範囲外）となるように管理しながらＳＧＧＧ単結晶の直胴部を育成した。

得られたＳＧＧＧ単結晶を１６００℃、大気雰囲気にて８０時間保持し、かつ、３０時間かけて室温まで冷却する「アニール処理」を施した後、切断加工を行ったところ結晶全体にクラックが発生し、直胴長の収率は０％であった。

そして、ＳＧＧＧ単結晶を原料融液から切り離したときの成長界面形状を反映する結晶底面が凸型であり、結晶回転数の変化に伴って成長界面形状が平坦形状から凸型に変わったことから、歪が蓄積してクラックが発生したと考えられる。

本発明の育成方法により育成されたＳＧＧＧ単結晶から非磁性ガーネット単結晶基板を加工し、該非磁性ガーネット単結晶基板を用いた液相エピタキシャル法により欠陥の無い酸化物ガーネット単結晶膜が得られるため、酸化物ガーネット単結晶膜を光アイソレータ用ファラデー回転子に使用される産業上の利用可能性を有している。

１育成炉
２チャンバー
３断熱材
４引き上げ軸
５ホットゾーン
６種結晶
７ＳＧＧＧ単結晶の直胴部
８坩堝
９原料融液
１０高周波コイル
１１結晶肩部
１２結晶ボトム部

Claims

結晶育成炉内に配置された坩堝の原料融液に種結晶を接触させ、かつ、上記種結晶を回転させながら引き上げてＣａＭｇＺｒ置換型ガドリニウム・ガリウム・ガーネット単結晶（Substituted Ｇｄ₅Ｇａ₃Ｏ₁₂：ＳＧＧＧ）を育成するチョクラルスキー（ＣＺ：Czochralski）法によるＳＧＧＧ単結晶の育成方法において、
上記ＳＧＧＧ単結晶における直胴部の育成に際し、結晶育成炉内の原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配を７〜１４℃／ｃｍ、１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配を１９〜２３℃／ｃｍの範囲に維持すると共に、直胴部上端から０ｍｍ〜３０ｍｍまでの直胴部の育成中、上記種結晶の回転数を２２〜３０ｒｐｍ内の一定値に設定し、直胴部上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部の育成中、上記一定値から一定の比率で回転数を減少させて直胴部上端から８３ｍｍ直胴部が育成した時点における種結晶の回転数が１８〜２１ｒｐｍとなるようにしたことを特徴とするＳＧＧＧ単結晶の育成方法。
上記直胴部上端から３０ｍｍを越えた以降の直胴部の育成中、上記一定値から一定の比率で回転数を減少させて直胴部上端から８３ｍｍ直胴部が育成した時点における種結晶の回転数が１８〜２０ｒｐｍとなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＳＧＧＧ単結晶の育成方法。
ＳＧＧＧ単結晶における直胴部の育成に対応した結晶育成炉内における引き上げ方向のホットゾーン条件を事前に設定し、かつ、直胴部の育成中における原料融液表面の引き上げ方向の位置を計測すると共に、計測された原料融液表面の位置データに対応したホットゾーン条件に調整して原料融液表面から引き上げ方向１ｃｍまでの雰囲気における温度勾配と１ｃｍを越え引き上げ方向１０ｃｍまでの雰囲気における温度勾配を上記数値範囲に維持することを特徴とする請求項１または２に記載のＳＧＧＧ単結晶の育成方法。
上記種結晶表面における結晶方位が＜１１１＞であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＳＧＧＧ単結晶の育成方法。