JP2018052795A

JP2018052795A - 高周波出力の操作方法

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Publication number: JP2018052795A
Application number: JP2016194887A
Authority: JP
Inventors: 克冬青木; Katsutoshi Aoki
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: JP6729257B2

Abstract

【課題】回転引き上げ法により酸化物単結晶を育成する際、坩堝底温度を目標温度に安定化させる高周波出力の操作方法を提供する。【解決手段】高周波出力の操作量をＸ、坩堝底の目標温度をＹ１、操作時の坩堝底温度をＹ２、１分間当たりの坩堝底温度の上昇あるいは下降量をＺとしたとき、数式(1)［Ｘ＝ａ（Ｙ１−Ｙ２）＋ｂＺ］より高周波出力の操作量Ｘを算出して高周波出力を操作する第一工程と、数式(1)において（Ｙ１−Ｙ２）＝０およびＺ＝０となる条件が満たされるまで任意の制御周期Ｔで第一工程を繰り返す第二工程を具備し、数式(1)における係数ａと係数ｂが、数式(2)［係数ａ＝０．００１３７×(高周波出力)］、および、数式(3)［係数ｂ＝−０．００３７５×(高周波出力)2］より算出されることを特徴とする高周波出力の操作方法。【選択図】図１

Description

本発明は、表面弾性波素子等に用いられるタ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基板に係り、特に、チョクラルスキー法等の回転引き上げ法により酸化物単結晶を育成する際、結晶育成に適した目標温度に坩堝底温度を安定化させる高周波出力の操作方法に関するものである。

タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃：以後、ＬＴと略称する）、および、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃；以後、ＬＮと略称する）単結晶は人工の強誘電体結晶であり、これ等の単結晶から加工される酸化物単結晶基板は、主に移動体通信機器において電気信号ノイズを除去する表面弾性波素子（ＳＡＷフィルター）の材料として用いられている。

上記ＳＡＷフィルターは、ＬＴ、ＬＮ単結晶をはじめとする圧電材料で構成された基板上にＡｌＣｕ合金等の金属薄膜から成る櫛形電極を形成した構造となっている。そして、上記櫛形電極のピッチと圧電材料の音速がデバイスにおける周波数を決定する重要な役割を担っている。また、櫛形電極は、圧電材料で構成された基板上に金属薄膜をスパッタリング法等により成膜した後、フォトリソグラフ技術を用いて上記金属薄膜の不要な部分をエッチングにより除去して櫛形パターンが形成されている。

また、ＳＡＷフィルターの材料となるＬＴ、ＬＮ等の酸化物単結晶は、産業的には主にチョクラルスキー法（以後、Ｃｚ法と略称する）等の回転引き上げ法（特許文献１〜３参照）により育成されており、この種の回転引き上げ法は、例えば、図１に示すような育成装置を用いて行われている。

すなわち、この育成装置ａは、外側が保温材ｂにより覆われ内部に単結晶用原料ｃが投入される坩堝ｄと、上記保温材ｂの外側に配置され坩堝ｄ内の単結晶用原料ｃを加熱する高周波加熱コイルｅと、上記坩堝ｄの上方側に昇降可能に設けられその先端に種結晶ｆが保持されると共に矢印方向へ回転する引き上げ軸ｇとでその主要部が構成されており、これ等構成部材は図示外の密封された圧力容器（育成炉）内に組込まれている。

尚、坩堝ｄの材質は、育成結晶の融点、圧力容器（育成炉）内の雰囲気に応じて選定され、酸化物単結晶の育成においては、炉内は酸化雰囲気であるために酸化され難い材料で構成する必要があり、例えば、ＬＴ単結晶の場合はイリジウム、ＬＮ単結晶の場合は白金が用いられている。

そして、この育成装置ａを用いてタンタル酸リチウム（ＬＴ）等の単結晶を育成するには、まず、坩堝ｄ内に単結晶用原料ｃを投入して充填した後、高周波加熱コイルｅに通電して上記坩堝ｄを高周波誘導加熱法により発熱させ、坩堝ｄ内の単結晶用原料ｃをその融点以上の温度に加熱して融解させる。

次に、引き上げ軸ｇを降下させて融解した原料融液の中心部に種結晶ｆとなるＬＴ等の単結晶片を接触させる。そして、坩堝ｄに投入する高周波電力を調節して種結晶ｆを中心に原料融液を徐々に固化させると同時に、上記種結晶ｆを回転させながら上昇させるという操作を連続的に行うことにより略円筒形状の大型単結晶ｈが製造される。

ところで、Ｃｚ法等回転引き上げ法による酸化物単結晶の育成においては、種結晶を原料融液に接触させる際の融液温度の最適化が、育成される結晶の品質を決める重要な要素となる。尚、原料融液に種結晶を接触させる操作を「シーディング操作」と称する。また、融液の温度を測定する場合、融液表面の温度を直接測定するのが好ましいが、熱電対の劣化や熱電対の取り回し等の問題があるため、坩堝の底に設置した熱電対の温度（以下、坩堝底温度）を代替値として用いている。

そして、上記シーディング操作により種結晶先端部に育成される結晶のメニスカス状態は、坩堝底温度が適正温度よりも低い場合、種結晶を原料融液に接触させた直後に結晶が急速に成長し始めてしまうため、図２（Ａ）に示すように結晶のメニスカス径が拡大して結晶品質の低下、更には多結晶化を引き起こしてしまう。反対に、坩堝底温度が適正温度よりも高い場合、原料融液に接触する前に種結晶が融解してしまうため、図２（Ｃ）に示すように結晶のメニスカス径が縮小、消滅することで結晶の育成を開始できないという事態となる。一方、坩堝底温度が適正温度でシーディング操作がなされた場合には、図２（Ｂ）に示すように結晶のメニスカス径が安定するため、高品質の単結晶を育成することが可能となる。

従って、シーディング操作においては、種結晶を融液に接触させてから引き上げを開始するまでの間、坩堝底温度の上昇あるいは下降を抑えることが重要である。例えば、種結晶を融液に接触させた瞬間は適正な温度であったとしても、引き上げを開始するまでの間に坩堝底温度が上昇してしまうと、引き上げと同時にネックが切れてしまう。逆に、引き上げを開始するまでの間に坩堝底温度が下降してしまうと、引き上げを開始する前に結晶の急成長が始まってしまう。

ところが、坩堝底温度は高周波出力の操作に対してすぐに応答することは無く、数分〜数時間遅れて温度変化が表れるため、適正な温度に融液温度を安定させるには作業者の経験と勘が必要である。このため、作業者間で融液温度の安定性にバラつきが生じる問題が存在した。

また、坩堝底温度の安定化にはＰＩＤ制御等を用いて自動制御する方法も存在するが、各設定値が適正でないと坩堝底温度がハンチング（乱調）するため、熟練した作業者が操作する場合に比べて、坩堝底温度が安定化するまでに長大な時間を要した。各設定値の適正化には数回のシーディング操作を試行錯誤する必要があり、数十台の育成炉を生産管理するには不十分であった。

特開平１０−３３８５９６号公報特開２００９−００７２０３号公報特開２００８−２６０６４１号公報

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、坩堝底温度を目標温度に安定化させる際、熟練作業者の経験と勘を必要とせず、しかもＰＩＤ制御のように設定値の適正化にあたっての試行錯誤を必要としない高周波出力の操作方法を提供することにある。

すなわち、本発明に係る第一の発明は、
炉体内の坩堝を高周波誘導加熱により発熱させて坩堝内の単結晶用原料を加熱溶融し、該原料融液に種結晶を接触させる回転引き上げ法により酸化物単結晶を育成する方法であって、坩堝底温度を目標温度に安定化させる高周波出力の操作方法において、
高周波出力の操作量をＸ、坩堝底の目標温度をＹ_１、操作時の坩堝底温度をＹ_２、１分間当たりの坩堝底温度の上昇あるいは下降量をＺとしたとき、下記数式（１）より高周波出力の操作量Ｘを算出して高周波出力を操作する第一工程と、
Ｘ＝ａ（Ｙ_１−Ｙ_２）＋ｂＺ（１）
上記数式（１）において（Ｙ_１−Ｙ_２）＝０、および、Ｚ＝０となる条件が満たされるまで任意の制御周期Ｔで上記第一工程を繰り返す第二工程を具備し、かつ、
上記数式（１）の係数ａおよび係数ｂが、下記数式（２）および数式（３）より算出されると共に、係数ａ＝ｋ１×(高周波出力) （２）
係数ｂ＝ｋ２×(高周波出力)² （３）
ｋ１＝０．００１３７、ｋ２＝−０．００３７５としたとき、
ｋ１およびｋ２の変化量（％）がそれぞれ＋１０％〜−１０％の範囲で、かつ、
ｋ１およびｋ２の変化する方向の符号が逆の場合、ｋ１およびｋ２の変化量（％）における絶対値の和が１０％以内であることを特徴とし、
また、第二の発明は、
第一の発明に記載の高周波出力の操作方法において、
上記酸化物単結晶が、タンタル酸リチウム単結晶およびニオブ酸リチウム単結晶のいずれかであることを特徴とするものである。

本発明に係る高周波出力の操作方法は、
高周波出力の操作量をＸ、坩堝底の目標温度をＹ_１、操作時の坩堝底温度をＹ_２、１分間当たりの坩堝底温度の上昇あるいは下降量をＺとしたとき、下記数式（１）より高周波出力の操作量Ｘを算出して高周波出力を操作する第一工程と、
Ｘ＝ａ（Ｙ_１−Ｙ_２）＋ｂＺ（１）
上記数式（１）において（Ｙ_１−Ｙ_２）＝０、および、Ｚ＝０となる条件が満たされるまで任意の制御周期Ｔで上記第一工程を繰り返す第二工程を具備し、かつ、
上記数式（１）の係数ａおよび係数ｂが、下記数式（２）および数式（３）より算出されると共に、係数ａ＝ｋ１×(高周波出力) （２）
係数ｂ＝ｋ２×(高周波出力)² （３）
ｋ１＝０．００１３７、ｋ２＝−０．００３７５としたとき、
ｋ１およびｋ２の変化量（％）がそれぞれ＋１０％〜−１０％の範囲で、かつ、
ｋ１およびｋ２の変化する方向の符号が逆の場合、ｋ１およびｋ２の変化量（％）における絶対値の和が１０％以内であることを特徴とし、
熟練作業を必要とせず、ＰＩＤ制御のような設定値の適正化にあたっての試行錯誤も必要としないことから坩堝底温度の制御を簡便に行うことが可能となる。

単結晶の回転引き上げ法に適用される育成装置の概略構成を示す説明図。シーディング操作により種結晶先端に育成される結晶のメニスカス状態を示す説明図であり、図２（Ａ）は坩堝底温度が適正温度よりも低い場合の上記メニスカス状態を示し、図２（Ｂ）は適正温度でシーディング操作がなされた場合の上記メニスカス状態を示し、図２（Ｃ）は坩堝底温度が適正温度よりも高い場合の上記メニスカス状態を示す。育成炉Ａにおける「坩堝底温度傾きＺ（℃/ｍｉｎ）」と「高周波出力操作量Ｘ（ｍＶ）」の関係を示しかつ「係数ｂ」が算出される直線（ｙ＝−０．３４７４ｘ）を示すグラフ図。育成炉Ｂにおける「坩堝底温度傾きＺ（℃/ｍｉｎ）」と「高周波出力操作量Ｘ（ｍＶ）」の関係を示しかつ「係数ｂ」が算出される直線（ｙ＝−０．２０１９ｘ）を示すグラフ図。育成炉Ａおよび育成炉Ｂにおける「目標温度調整時における高周波出力の二乗」と育成炉Ａおよび育成炉Ｂにおける「係数ｂ」の関係を示すグラフ図。育成炉Ａにおける「坩堝底温度差分（Ｙ_１−Ｙ_２）℃」と「高周波出力残り操作量（Ｘ−ｂＺ）ｍＶ」の関係を示しかつ「係数ａ」が算出される直線（ｙ＝０．０１３３ｘ）を示すグラフ図。育成炉Ｂにおける「坩堝底温度差分（Ｙ_１−Ｙ_２）℃」と「高周波出力残り操作量（Ｘ−ｂＺ）ｍＶ」の関係を示しかつ「係数ａ」が算出される直線（ｙ＝０．０１０ｘ）を示すグラフ図。育成炉Ａおよび育成炉Ｂにおける「目標温度調整時における高周波出力」と育成炉Ａおよび育成炉Ｂにおける「係数ａ」の関係を示すグラフ図。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（I）酸化物単結晶育成における融液温度の測定方法
酸化物単結晶育成における融液および坩堝は、これ等周囲に設けられた保温材を形成する耐火物および育成炉に囲われているため、融液表面の温度を測定しようとしても熱電対の配線を取り回すのが困難である。また、原料粉の状態から融液になるまでに坩堝内の液面高さが上下する他、育成を繰り返す間に坩堝の形状が変化し、液面の高さが徐々に下降するため、融液表面の位置に熱電対を設置するのは困難である。

これ等の問題があるため、酸化物単結晶の育成においては、一般的に、坩堝の底に設置した熱電対から温度（坩堝底温度）を測定し、融液温度の代替として用いられる。

（II）坩堝底温度で代替した場合の弊害
高周波出力を増減させる操作により融液表面の温度が変化したとき、周囲よりも高温（あるいは低温）になった融液が自然対流により坩堝底まで流れ、坩堝底温度が変化し、初めて作業者は融液温度の変化を検知することが可能となる。

従って、融液温度を坩堝底温度で代替している場合、高周波出力操作を行ってから温度変化を検知するまで数分〜数時間のタイムラグが存在する。

作業者は、このタイムラグを加味して高周波出力操作を行う必要がある。熟練の作業者では経験と勘によってこれを補完できるため最短時間で坩堝底温度を目標温度に安定化させることができるが、未熟な作業者では坩堝底温度がハンチングし、安定化に時間がかかってしまう。また、安定化が不十分であると、種結晶を融液に接触させてから引き上げを開始するまでの間に坩堝底温度が変化し、ネック切れや急成長等の不具合を発生させる。

坩堝底温度の安定化にはＰＩＤ制御等を用いて自動制御する方法も存在するが、各設定値が適正でないと坩堝底温度がハンチングするため、熟練した作業者が操作する場合に比べて、坩堝底温度が安定化するまでに長大な時間を要した。各設定値の適正化には数回のシーディング操作を試行錯誤する必要があり、また、炉毎の耐火物構成の違いや、育成毎の部材劣化により設定値は徐々に変動していくため、数十台の育成炉を生産管理するには不十分であった。

（III）本発明者による発見
熟練の作業者により行われるシーディング操作を解析したところ、高周波出力の操作量Ｘは、坩堝底の目標温度をＹ_１、操作時の坩堝底温度をＹ_２、１分間当たりの坩堝底温度の上昇あるいは下降量をＺとしたとき、下記数式（１）で表せることが分かった。
Ｘ＝ａ（Ｙ_１−Ｙ_２）＋ｂＺ（１）

また、異なる育成炉では、上記数式（１）における係数ａ、係数ｂは異なる数値となるが、熟練作業者が手動操作にて坩堝底温度を目標温度に調整したときの高周波出力値から、下記（IV）欄において説明するように、比例計算で係数ａ、係数ｂは算出されることが分かった。すなわち、数式（１）における係数ａおよび係数ｂは、以下の数式（２）および数式（３）より算出することができる。
係数ａ＝ｋ１×(高周波出力) （２）
係数ｂ＝ｋ２×(高周波出力)² （３）
但し、ｋ１＝０．００１３７、ｋ２＝−０．００３７５としたとき、
ｋ１およびｋ２の変化量（％）がそれぞれ＋１０％〜−１０％の範囲で、かつ、
ｋ１およびｋ２の変化する方向の符号が逆の場合、ｋ１およびｋ２の変化量（％）における絶対値の和が１０％以内である。

これ等数式を用いて高周波出力の操作量を決定すれば、熟練の作業者の経験と勘に頼ることなく、坩堝底温度を目標温度に安定化させることが可能となり、更に、係数ａ、係数ｂも上記数式（２）および数式（３）より算出できることから、設定値の適正化にあたり試行錯誤する必要は無く、数十台の育成炉を生産管理するのが容易となる。

すなわち、本発明者によって発見された方法は、
炉体内の坩堝を高周波誘導加熱により発熱させて坩堝内の単結晶用原料を加熱溶融し、該原料融液に種結晶を接触させる回転引き上げ法により酸化物単結晶を育成する方法であって、坩堝底温度を目標温度に安定化させる高周波出力の操作方法において、
高周波出力の操作量をＸ、坩堝底の目標温度をＹ_１、操作時の坩堝底温度をＹ_２、１分間当たりの坩堝底温度の上昇あるいは下降量をＺとしたとき、下記数式（１）より高周波出力の操作量Ｘを算出して高周波出力を操作する第一工程と、
Ｘ＝ａ（Ｙ_１−Ｙ_２）＋ｂＺ（１）
上記数式（１）において（Ｙ_１−Ｙ_２）＝０、および、Ｚ＝０となる条件が満たされるまで任意の制御周期Ｔで上記第一工程を繰り返す第二工程を具備し、かつ、
上記数式（１）の係数ａおよび係数ｂが、下記数式（２）および数式（３）より算出されると共に、係数ａ＝ｋ１×(高周波出力) （２）
係数ｂ＝ｋ２×(高周波出力)² （３）
ｋ１＝０．００１３７、ｋ２＝−０．００３７５としたとき、
ｋ１およびｋ２の変化量（％）がそれぞれ＋１０％〜−１０％の範囲で、かつ、
ｋ１およびｋ２の変化する方向の符号が逆の場合、ｋ１およびｋ２の変化量（％）における絶対値の和が１０％以内であることを特徴とする。

（IV）数式（２）および数式（３）について
上記数式（２）および数式（３）は、２台の育成炉Ａ、育成炉Ｂを用いた熟練作業者によるＬＴ単結晶の下記育成実験から求められている。

（IV−１）育成実験
コングルエント組成の原料を用い、高周波誘導加熱炉によってチョクラルスキー法により直径６インチのＬＴ単結晶の育成を行った。育成雰囲気は、酸素濃度約２％の窒素‐酸素混合ガスである。

まず初めに、ＬＴ原料２０ｋｇをイリジウム製坩堝に仕込み、かつ、坩堝底近傍にＴｙｐｅＢ熱電対を組み込んだ。また、育成時の温度環境を整えるため、坩堝周囲と坩堝上部にアルミナ製およびジルコニア製の耐火物を組み立てた後、昇温してＬＴ原料の融解を行った。

そして、熟練作業者によるシーディング操作、および、結晶育成を複数回行い、シーディング操作における「高周波出力の操作量」と「坩堝底温度」の関係について解析を行って上記係数ａ、係数ｂを算出した。

更に、２台の育成炉Ａ、育成炉Ｂについて同様の解析を行い、「高周波出力」と「係数ａ、係数ｂ」の関係を解析した。

尚、坩堝底温度を目標温度に調整したときの高周波出力の平均は、育成炉Ａにおいては「９．６ｍＶ」、育成炉Ｂにおいては「７．４ｍＶ」であった。

（IV−２）係数ｂの算出
「出力操作を行った時の坩堝底温度Ｙ_２」と「目標温度Ｙ_１」が一致しており、かつ、坩堝底温度が上昇あるいは下降（すなわち、Ｚ≠０）している状態で、高周波出力を操作し、その後、坩堝底温度が安定（すなわち、Ｚ＝０）したときのデータを抽出し、「坩堝底温度の温度傾き」と「高周波出力の操作量」の相関を解析し、係数ｂを算出した。

すなわち、数式（１）［Ｘ＝ａ（Ｙ_１−Ｙ_２）＋ｂＺ］において、Ｙ_１＝Ｙ_２であることから［Ｘ＝ｂＺ］となり、「高周波出力の操作量Ｘ」と「坩堝底温度の温度傾きＺ」の比例式から上記係数ｂが算出可能となる。

以下、育成炉Ａにおける係数ｂの算出方法について説明する。

まず、表１に示すように「出力操作を行った時の坩堝底温度Ｙ_２」と「目標温度Ｙ_１」が一致しており、かつ、坩堝底温度が上昇あるいは下降（すなわち、Ｚ≠０）している状態で高周波出力を操作し、その後、坩堝底温度が安定（すなわち、Ｚ＝０）したときの５つのデータ（「坩堝底温度の温度傾きＺ」と「高周波出力の操作量Ｘ」）を抽出した。

具体的には、データＮｏ．１（Z＝-0.06、X＝0.02）、データＮｏ．２（Z＝0.12、X＝-0.04）、データＮｏ．３（Z＝0.08、X＝-0.02）、データＮｏ．４（Z＝0.04、X＝-0.01）、および、データＮｏ．５（Z＝-0.12、X＝0.05）を抽出した。

そして、「坩堝底温度の温度傾きＺ」をｘ軸、「高周波出力の操作量Ｘ」をｙ軸に設定した「ｘ−ｙ座標面上」に上記５つのデータを表示して図３のグラフ図を得ると共に、該グラフ図に示された「ｙ＝−０．３４７４ｘ」の直線から「係数ｂ＝−０．３４７」を算出した。

育成炉Ｂにおける係数ｂについても同様の方法にて求めた。

まず、表２に示すように「出力操作を行った時の坩堝底温度Ｙ_２」と「目標温度Ｙ_１」が一致しており、かつ、坩堝底温度が上昇あるいは下降（すなわち、Ｚ≠０）している状態で高周波出力を操作し、その後、坩堝底温度が安定（すなわち、Ｚ＝０）したときの５つのデータ（「坩堝底温度の温度傾きＺ」と「高周波出力の操作量Ｘ」）を抽出した。

具体的には、データＮｏ．１（Z＝0.08、X＝-0.02）、データＮｏ．２（Z＝-0.06、X＝0.01）、データＮｏ．３（Z＝-0.04、X＝0.01）、データＮｏ．４（Z＝-0.04、X＝0.01）、および、データＮｏ．５（Z＝0.04、X＝-0.01）を抽出した。

そして、「坩堝底温度の温度傾きＺ」をｘ軸、「高周波出力の操作量Ｘ」をｙ軸に設定した「ｘ-ｙ座標面上」に上記５つのデータ（No3とNo4のデータが同一のため４点）を表示して図４のグラフ図を得ると共に、該グラフ図に示された「ｙ＝−０．２０１９ｘ」の直線から「係数ｂ＝−０．２０２」を算出した。

次に、育成炉Ａにおける「係数ｂ＝−０．３４７」と「目標温度調整時における高周波出力＝９．６ｍＶ」、および、育成炉Ｂにおける「係数ｂ＝−０．２０２」と「目標温度調整時における高周波出力＝７．４ｍＶ」の関係（下記表３参照）を解析したところ、図５に示すように係数ｂは高周波出力の二乗に比例（比例係数＝−０．００３７５）することが分かった。すなわち、育成炉Ａにおける「係数ｂ＝−０．３４７」は「目標温度調整時における高周波出力」の二乗に「比例係数＝−０．００３７５」を乗じて求められ、育成炉Ｂにおける「係数ｂ＝−０．２０２」も「目標温度調整時における高周波出力」の二乗に「比例係数＝−０．００３７５」を乗じて求められる。

これ等解析から、係数ｂの算出式、すなわち下記数式（３）を定めた。
係数ｂ＝−０．００３７５×(高周波出力)² （３）

（IV−３）係数ａの算出
「出力操作を行った時の坩堝底温度Ｙ_２」と「目標温度Ｙ_１」が一致しておらず（すなわち、Ｙ_１≠Ｙ_２）、かつ、坩堝底温度が上昇あるいは下降（すなわち、Ｚ≠０）している状態で、高周波出力を操作し、その後、坩堝底温度が目標温度に到達（すなわち、Ｙ_１＝Ｙ_２）し、安定化（すなわち、Ｚ＝０）したときのデータを抽出し、「坩堝底温度の差分」と「高周波出力の操作量」の相関を解析し、係数ａを算出した。

すなわち、数式（１）［Ｘ＝ａ（Ｙ_１−Ｙ_２）＋ｂＺ］において、係数ｂは表１あるいは表２で求めた数値（「−０．３４７」あるいは「−０．２０２」）を用いることにより「ｂＺ」は算出可能な値となることから、数式（１）は［Ｘ−ｂＺ＝ａ（Ｙ_１−Ｙ_２）］となり、「高周波出力の操作量Ｘ−ｂＺ」と「坩堝底温度の差分（Ｙ_１−Ｙ_２）」の比例式から上記係数ａは算出可能となる。

以下、育成炉Ａにおける係数ａの算出方法について説明する。

まず、表４に示すように「出力操作を行った時の坩堝底温度Ｙ_２」と「目標温度Ｙ_１」が一致しておらず（すなわち、Ｙ_１≠Ｙ_２）、かつ、坩堝底温度が上昇あるいは下降（すなわち、Ｚ≠０）している状態で、高周波出力を操作し、その後、坩堝底温度が目標温度に到達（すなわち、Ｙ_１＝Ｙ_２）し、安定化（すなわち、Ｚ＝０）したときの５つのデータ「坩堝底温度差分（Ｙ_１−Ｙ_２）」と「高周波出力残り操作量（Ｘ−ｂＺ）」を抽出した。尚、表４の「係数ｂ調整分」は算出値（ｂＺ）を意味し、「残り操作量」は算出値（Ｘ−ｂＺ）を意味する。

「坩堝底温度差分（Ｙ_１−Ｙ_２）」と「高周波出力残り操作量（Ｘ−ｂＺ）」順に従い具体的に示すと、データＮｏ．１（-0.5、-0.005）、データＮｏ．２（-0.5、-0.005）、データＮｏ．３（1.6、0.023）、データＮｏ．４（-0.7、-0.011）、および、データＮｏ．５（-1.5、-0.019）を抽出した。

そして、上記「坩堝底温度差分（Ｙ_１−Ｙ_２）」をｘ軸、上記「高周波出力残り操作量（Ｘ−ｂＺ）」をｙ軸に設定した「ｘ-ｙ座標面上」に上記５つのデータ（No1とNo2のデータが同一のため４点）を表示して図６のグラフ図を得ると共に、該グラフ図に示された「ｙ＝０．０１３３ｘ」の直線から「係数ａ＝０．０１３」を算出した。

育成炉Ｂにおける係数ａについても同様の方法にて求めた。

まず、表５に示すように「出力操作を行った時の坩堝底温度Ｙ_２」と「目標温度Ｙ_１」が一致しておらず（すなわち、Ｙ_１≠Ｙ_２）、かつ、坩堝底温度が上昇あるいは下降（すなわち、Ｚ≠０）している状態で、高周波出力を操作し、その後、坩堝底温度が目標温度に到達（すなわち、Ｙ_１＝Ｙ_２）し、安定化（すなわち、Ｚ＝０）したときの５つのデータ「坩堝底温度差分（Ｙ_１−Ｙ_２）」と「高周波出力残り操作量（Ｘ−ｂＺ）」を抽出した。尚、表５の「係数ｂ調整分」も算出値（ｂＺ）を意味し、「残り操作量」も算出値（Ｘ−ｂＺ）を意味する。

「坩堝底温度差分（Ｙ_１−Ｙ_２）」と「高周波出力残り操作量（Ｘ−ｂＺ）」順に従い具体的に示すと、データＮｏ．１（-0.6、-0.006）、データＮｏ．２（1.0、0.010）、データＮｏ．３（0.5、0.002）、データＮｏ．４（0.5、0.006）、および、データＮｏ．５（2.2、0.022）を抽出した。

そして、上記「坩堝底温度差分（Ｙ_１−Ｙ_２）」をｘ軸、上記「高周波出力残り操作量（Ｘ−ｂＺ）」をｙ軸に設定した「ｘ-ｙ座標面上」に上記５つのデータを表示して図７のグラフ図を得ると共に、該グラフ図に示された「ｙ＝０．０１０ｘ」の直線から「係数ａ＝０．０１０」を算出した。

次に、育成炉Ａにおける「係数ａ＝０．０１３」と「目標温度調整時における高周波出力＝９．６ｍＶ」、および、育成炉Ｂにおける「係数ａ＝０．０１０」と「目標温度調整時における高周波出力＝７．４ｍＶ」の関係（下記表６参照）を解析したところ、図８に示すように係数ａは高周波出力に比例（比例係数＝０．００１３７）することが分かった。すなわち、育成炉Ａにおける「係数ａ＝０．０１３」は「目標温度調整時における高周波出力」に「比例係数＝０．００１３７」を乗じて求められ、育成炉Ｂにおける「係数ａ＝０．０１０」も「目標温度調整時における高周波出力」に「比例係数＝０．００１３７」を乗じて求められる。

これ等解析から、係数ａの算出式、すなわち下記数式（２）を定めた。
係数ａ＝０．００１３７×(高周波出力) （２）

（IV−４）係数ａおよび係数ｂの許容範囲
数式（２）と数式（３）を上述したように、
係数ａ＝ｋ１×(高周波出力) （２）
係数ｂ＝ｋ２×(高周波出力)² （３）
ｋ１＝０．００１３７、ｋ２＝−０．００３７５で表した場合、
係数ａおよび係数ｂの許容範囲は、
ｋ１およびｋ２の変化量（％）がそれぞれ＋１０％〜−１０％の範囲で、かつ、
ｋ１およびｋ２の変化する方向の符号が逆の場合、ｋ１およびｋ２の変化量（％）における絶対値の和が１０％以内である。

ｋ１およびｋ２の変化量（％）が上記条件を満たした場合、数式（１）により算出される高周波出力操作量Ｘの変化量が±３５％以内に収まるからである。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明に係る技術的範囲が下記実施例の内容に限定されるものではない。

［実施例１］
コングルエント組成の原料を用い、高周波誘導加熱炉によってチョクラルスキー法により直径６インチのＬＴ単結晶の育成を行った。育成雰囲気は、酸素濃度約２％の窒素−酸素混合ガスである。

原料の融解が完了したとき、坩堝底の目標温度（結晶育成に適した最適温度）が１４９７．５℃であるのに対し、坩堝底温度は１４９８．７℃であり、高周波出力は７．４０５ｍＶ、坩堝底温度傾きＺは−０．０８℃／ｍｉｎ．であった。

このとき、係数ａは、ａ＝０．００１３７×７．４０５＝０．０１０、係数ｂは、ｂ＝−０．００３７５×(７．４０５)²＝−０．２１となる。

すなわち、「係数ａ＝０．０１０」「係数ｂ＝−０．２１」「Ｙ_１＝１４９７．５℃」「Ｙ_２＝１４９８．７℃」「Ｚ＝−０．０８」を数式（１）に代入して高周波出力の操作量Ｘを求めると、
高周波出力操作量Ｘ＝０．０１０×（１４９７．５−１４９８．７）
−０．２１×（−０．０８）＝「＋０．００５」
が求められ、２回目の高周波出力は（７．４０５＋０．００５＝７．４１０ｍＶ）となる。

尚、制御周期は１０分とした。高周波出力の履歴、および、坩堝底温度、坩堝底温度傾きを表７に示す。

そして、表７に示すように、坩堝底温度が目標温度（１４９７．５℃）よりやや高く、徐々に坩堝底温度が下がっている状態から、３回目の出力操作（Ｘ＝＋０．００７ｍＶ）により、目標温度（結晶育成に適した最適温度）付近（Ｙ_１−Ｙ_２＝０）で坩堝底温度を安定化（Ｚ＝±０．００℃/ｍｉｎ.）させることに成功した。坩堝底温度を３０分で目標温度に安定化させることができた。

尚、この実施例（実施例２、３も同様）では、予め結晶育成に適した最適温度が分かっている状態から、シーディング操作を開始している。

しかし、実際のシーディング操作においては、最適温度が分からない状態から開始するため、通常、以下の手順でシーディング操作を行う。
（1）前回のシーディング操作履歴から、おおよその最適温度を目標温度として定める。
（2）そして、坩堝底温度を上記目標温度（おおよその最適温度）に安定化させる。
（3）次いで、シーディング操作を行い、上述したメニスカスの状態を確認する。
（4）メニスカスの状態から目標温度を結晶育成に適した最適温度に補正する。
（5）目標温度（結晶育成に適した最適温度）が定まった状態から、以下、上記実施例の高周波出力操作を繰り返して坩堝底温度を目標温度（結晶育成に適した最適温度）に安定化させる。

また、この実施例においては、数式（１）の係数ａおよび係数ｂが
数式(２)［係数ａ＝ｋ１×(高周波出力)］、および、
数式(３)［係数ｂ＝ｋ２×(高周波出力)²］で表記したとき、
ｋ１＝０．００１３７、ｋ２＝−０．００３７５の数値に基づいて算出しているが、
ｋ１およびｋ２の変化量（％）がそれぞれ＋１０％〜−１０％の範囲で、かつ、
ｋ１およびｋ２の変化する方向の符号が逆の場合、ｋ１およびｋ２の変化量（％）における絶対値の和が１０％以内の条件を満たす場合においても略同様の効果が得られている。

具体的には、ｋ１＝０．００１５０７（＋１０％）
ｋ２＝−０．００４２３（＋１０％）
および、ｋ１＝０．００１４４（＋５％）
ｋ２＝−０．００３５６（−５％）
としても同様の効果が得られている。

［実施例２］
コングルエント組成の原料を用い、高周波誘導加熱炉によってチョクラルスキー法により直径６インチのＬＴ単結晶の育成を行った。育成雰囲気は、酸素濃度約２％の窒素−酸素混合ガスである。

まず初めに、ＬＴ原料３０ｋｇをイリジウム製坩堝に仕込み、かつ、坩堝底近傍にＴｙｐｅＢ熱電対を組み込んだ。また、育成時の温度環境を整えるため、坩堝周囲と坩堝上部にアルミナ製およびジルコニア製の耐火物を組み立てた後、昇温してＬＴ原料の融解を行った。

原料の融解が完了したとき、坩堝底の目標温度（結晶育成に適した最適温度）が１４７６．５℃であるのに対し、坩堝底温度は１４７５．１℃であり、高周波出力は８．６６０ｍＶ、坩堝底温度傾きＺは＋０．０４℃／ｍｉｎ．であった。

このとき、係数ａは、ａ＝０．００１３７×８．６６０＝０．０１２、係数ｂは、ｂ＝−０．００３７５×(８．６６０)²＝−０．２８となる。

すなわち、「係数ａ＝０．０１２」「係数ｂ＝−０．２８」「Ｙ_１＝１４７６．５℃」「Ｙ_２＝１４７５．１℃」「Ｚ＝＋０．０４」を数式（１）に代入して高周波出力の操作量Ｘを求めると、
高周波出力操作量Ｘ＝０．０１２×（１４７６．５−１４７５．１）
−０．２８×（＋０．０４）＝「＋０．００６」
が求められ、２回目の高周波出力は（８．６６０＋０．００６＝８．６６６ｍＶ）となる。

尚、制御周期は１０分とした。高周波出力の履歴、および、坩堝底温度、坩堝底温度傾きを表８に示す。

そして、表８に示すように、坩堝底温度が目標温度（１４７６．５℃）よりやや低く、徐々に坩堝底温度が上がっている状態から、３回目の出力操作（Ｘ＝−０．００６ｍＶ）により、目標温度（結晶育成に適した最適温度）付近（Ｙ_１−Ｙ_２＝０）で坩堝底温度を安定化（Ｚ＝±０．００℃/ｍｉｎ.）させることに成功した。

また、実施例１と比較して、原料重量が２０ｋｇから３０ｋｇに増加しても、坩堝底温度を３０分で目標温度に安定化できることが確認できた。

［実施例３］
コングルエント組成の原料を用い、高周波誘導加熱炉によってチョクラルスキー法により直径６インチのＬＴ単結晶の育成を行った。育成雰囲気は、酸素濃度約２％の窒素−酸素混合ガスである。

まず初めに、ＬＴ原料９０ｋｇをイリジウム製坩堝に仕込み、かつ、坩堝底近傍にＴｙｐｅＢ熱電対を組み込んだ。また、育成時の温度環境を整えるため、坩堝周囲と坩堝上部にアルミナ製およびジルコニア製の耐火物を組み立てた後、昇温してＬＴ原料の融解を行った。

原料の融解が完了したとき、坩堝底の目標温度（結晶育成に適した最適温度）が１４０４．９℃であるのに対し、坩堝底温度は１４０８．２℃であり、高周波出力は１２．９５０ｍＶ、坩堝底温度傾きＺは−０．１５℃／ｍｉｎ．であった。

このとき、係数ａは、ａ＝０．００１３７×１２．９５０＝０．０１８、係数ｂは、ｂ＝−０．００３７５×(１２．９５０)²＝−０．６３となる。

すなわち、「係数ａ＝０．０１８」「係数ｂ＝−０．６３」「Ｙ_１＝１４０４．９℃」「Ｙ_２＝１４０８．２℃」「Ｚ＝−０．１５」を数式（１）に代入して高周波出力の操作量Ｘを求めると、
高周波出力操作量Ｘ＝０．０１８×（１４０４．９−１４０８．２）
−０．６３×（−０．１５）＝「＋０．０３５」
が求められ、２回目の高周波出力は（１２．９５０＋０．０３５＝１２．９８５ｍＶ）となる。

尚、制御周期は１０分とした。高周波出力の履歴、および、坩堝底温度、坩堝底温度傾きを表９に示す。

そして、表９に示すように、坩堝底温度が目標温度（１４０４．９℃）よりかなり高く、急速に坩堝底温度が下がっている状態から、６回目の出力操作（Ｘ＝＋０．００６ｍＶ）により、目標温度（結晶育成に適した最適温度）付近（Ｙ_１−Ｙ_２＝０）で坩堝底温度を安定化（Ｚ＝±０．００℃/ｍｉｎ.）させることに成功した。

また、実施例１、２と比べて原料の重量が３〜４倍と大きく異なるが、坩堝底温度を６０分で目標温度に安定化できることが確認できた。

本発明に係る高周波出力の操作方法によれば、熟練作業を必要とせず、ＰＩＤ制御のような設定値の適正化にあたっての試行錯誤も必要としないことから坩堝底温度の制御を簡便に行うことができるため、Ｃｚ法によるタンタル酸リチウム単結晶およびニオブ酸リチウム単結晶の育成方法に利用される産業上の利用可能性を有する。

ａ育成装置
ｂ保温材（耐火物）
ｃ単結晶用原料
ｄ坩堝
ｅ高周波加熱コイル
ｆ種結晶
ｇ引き上げ軸
ｈ単結晶

Claims

炉体内の坩堝を高周波誘導加熱により発熱させて坩堝内の単結晶用原料を加熱溶融し、該原料融液に種結晶を接触させる回転引き上げ法により酸化物単結晶を育成する方法であって、坩堝底温度を目標温度に安定化させる高周波出力の操作方法において、
高周波出力の操作量をＸ、坩堝底の目標温度をＹ_１、操作時の坩堝底温度をＹ_２、１分間当たりの坩堝底温度の上昇あるいは下降量をＺとしたとき、下記数式（１）より高周波出力の操作量Ｘを算出して高周波出力を操作する第一工程と、
Ｘ＝ａ（Ｙ_１−Ｙ_２）＋ｂＺ（１）
上記数式（１）において（Ｙ_１−Ｙ_２）＝０、および、Ｚ＝０となる条件が満たされるまで任意の制御周期Ｔで上記第一工程を繰り返す第二工程を具備し、かつ、
上記数式（１）の係数ａおよび係数ｂが、下記数式（２）および数式（３）より算出されると共に、係数ａ＝ｋ１×(高周波出力) （２）
係数ｂ＝ｋ２×(高周波出力)² （３）
ｋ１＝０．００１３７、ｋ２＝−０．００３７５としたとき、
ｋ１およびｋ２の変化量（％）がそれぞれ＋１０％〜−１０％の範囲で、かつ、
ｋ１およびｋ２の変化する方向の符号が逆の場合、ｋ１およびｋ２の変化量（％）における絶対値の和が１０％以内であることを特徴とする高周波出力の操作方法。
上記酸化物単結晶が、タンタル酸リチウム単結晶およびニオブ酸リチウム単結晶のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の高周波出力の操作方法。