JP2019026492A - 変形抑制体及び単結晶育成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】坩堝の変形を抑えて、坩堝に熱が伝わりやすい、変形抑制体、単結晶育成装置の提供。【解決手段】坩堝の変形を抑制する変形抑制体１０であって、側壁１１に開口部１２を有する円筒状である変形抑制体１０。開口部１２の面積が、側壁１１の面積の４％〜３２％である変形抑制体１０。開口部１２が、側壁１１の端縁から高さ方向に延びる、スリット状である変形抑制体１０。開口部１２が、側面の高さ方向において、上端縁から４０％〜８０％の位置に設けられている変形抑制体１０。アルミナ又はジルコニアを主成分とする変形抑制体１０。変形抑制体変形抑制体１０を備える単結晶育成装置。【選択図】図１

Description

本発明は、変形抑制体及び単結晶育成装置に関する。

従来、表面弾性波デバイス、光変調デバイス等の材料としてニオブ酸リチウム（以下、「ＬＮ」とする場合がある。）の単結晶が多く利用されてきた。そして、酸化物単結晶の育成には、高周波誘導加熱方式の加熱手段を用いたチョクラルスキー式育成法（以下、「Ｃｚ法」とする場合がある。）を採用する育成装置が多く利用されてきた。

しかし、高周波誘導加熱方式の加熱手段を用いる場合、高周波電源、育成炉、及び、ワークコイル等の水冷が必要となる。また、高周波を坩堝に印加して渦電流によって坩堝を発熱させるためには、例えば肉厚が２ミリ程度以上の、白金等の貴金属製の坩堝を作製する必要があり、坩堝の作製費用が高額となる。以上のことから、酸化物単結晶の製造コストが高くなる傾向があった。

これらの問題を解決する手段として、高周波誘導加熱方式の加熱手段に替えて、抵抗加熱方式の加熱手段を採用する育成装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１は、抵抗加熱方式の加熱手段を用いたＣｚ法においても、高周波誘導加熱方式の加熱手段を用いたＣｚ法と同様に、ＬＮの単結晶を育成できることが開示されている。

また、抵抗加熱の一手段として、耐熱性が高く、耐酸化性に優れた二珪化モリブデンを用いた抵抗発熱体が開発されている（例えば、特許文献２参照）。二珪化モリブデン発熱体を用いた電気炉の形態としては、例えば、中空の円筒状断熱材の内壁に沿うように、抵抗発熱部がらせん形状、あるいは、つづら折り形状に配置された構造が提案されている（例えば、特許文献３参照）。このような抵抗発熱部を垂直に複数段重ねて、複数の抵抗発熱部のそれぞれに投入する電力を個別に制御することによって、所望の炉内温度分布を形成して、酸化物単結晶を育成することができる。

また、抵抗加熱方式の加熱手段を採用した育成装置を用いてＬＮの単結晶を育成する場合は、高周波誘導加熱方式の加熱手段を用いる場合とは異なり、輻射、熱伝導、及び、気体の対流によって坩堝を間接的に加熱する。このため、高周波誘導加熱方式の加熱手段を用いる場合よりも薄い、例えば、肉厚１ミリ以下の白金等の貴金属製坩堝を用いることができる。

近年、表面弾性波デバイスの市場が拡大しており、表面弾性波デバイスの材料となるＬＮの単結晶の生産量を確保するためには、製造する単結晶を大口径にすることが求められている。大口径の単結晶を育成するためには、坩堝の直径や深さを大きくする必要がある。

一般的に、ＬＮの単結晶をＣｚ法で育成する場合、坩堝内に仕込んだ原料質量に対する育成された結晶質量の比率（固化率）は、０．４〜０．８程度であるから、酸化物単結晶を育成した後に０．２〜０．６の割合で原料が坩堝内に残ることになる。単結晶育成後に坩堝内に残った原料を原料残差という。酸化物単結晶を育成した後、育成して得られた単結晶の質量分の原料を坩堝に追加して仕込み、次の単結晶育成を実施する。しかしながら、坩堝とＬＮ原料の熱膨張率が異なることから、同じ坩堝を繰り返し用いて育成を重ねるに伴って、坩堝の変形が進行することがある。

坩堝のサイズが大きいほど、また、原料残渣の量が多いほど、育成を重ねることによる坩堝の変形が大きくなる傾向がある。また、坩堝の変形が大きくなると、坩堝内の原料融液の温度勾配や対流等の単結晶の育成条件が変化して良質な単結晶を育成することが難しくなることがある。このため、育成条件が変わらないように坩堝の変形を管理する必要があり、坩堝サイズが大きくなるほど、坩堝形状の修正や改鋳の頻度が増加する可能性がある。一方、坩堝の肉厚を厚くすれば変形の進行は抑制されるが、高額な白金等の貴金属の使用量が増加することになり、コストが高くなってしまう。

特開２００３−２２１２９９号公報 特開平８−２８８１０３号公報 特開２０１４−１９９７７３号公報

三宅亮、外３名、"フォルステライト・コランダム・白金の熱膨張率"、日本鉱物科学会、２０１０年年会講演要旨集、Ｐ．１４７ Ｋａ−Ｋｈａ Ｗｏｎｇ編、「Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ」、ＩＮＳＰＥＣ、（英国）、Ｐ．７６

表１は、白金（非特許文献１参照）とＬＮ（非特許文献２参照）について、室温２５℃を基準に格子定数の膨張率を温度毎に示したものである。ＬＮは異方性があり、ｃ軸方向の膨張率に比べ、ａ軸方向の膨張率が大きく、白金の膨張率よりも大きい。上述のとおり、単結晶育成後は、同一の坩堝を用いて、次の単結晶育成のために原料を追加で仕込む。原料を融解させる際に、原料および白金坩堝は昇温とともに膨張する。追加して仕込んだ原料は、粉状、顆粒状、あるいは加工工程で生じた結晶くず等であるため、比較的自由な方向に形状を変化させながら膨張できる。一方、前回の結晶育成で残った原料残渣は多結晶として固化しており、また坩堝の内壁に固着している。原料残渣が固化した多結晶部分では、結晶軸の方向が場所によって様々であるが、坩堝に固着している残渣原料は、膨張と共に形状を変化させ難いため、場所によって坩堝を外側に押し広げるような変形を生じさせる場合がある。したがって、原料残渣が残っている領域、すなわち、通常では坩堝のおよそ下部１／２から１／３の領域で膨張変形が大きくなる場合がある。

そこで、坩堝の肉厚を厚くせずに変形を抑えるためには、アルミナやジルコニア等の１０００℃以上の高温でも変形し難い耐火物で坩堝を囲み、坩堝の変形を抑えることが考えられる。しかしながら、抵抗加熱方式の加熱手段を用いた場合は、高周波誘導加熱方式の加熱手段のように坩堝自身が電磁誘導により生じた渦電流で発熱する場合と異なり、坩堝が外部の発熱体によって間接的に加熱される。このため、アルミナやジルコニア等のような変形はし難いが熱容量の大きな耐火物で坩堝の周囲を囲むだけでは、坩堝まで熱が伝導し難くシーディング（種付け）過程や単結晶成長過程で、抵抗発熱体の出力調整に対する坩堝温度の応答性が遅くなることがある。よって、装置の操作に遅れを生じさせ、その結果、結晶品質が劣化する不具合が生じるというおそれがあった。

従って、上記の問題点に鑑み、本発明は、坩堝の変形を抑えて、坩堝に熱が伝わりやすい、変形抑制体、単結晶育成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の変形抑制体は、坩堝の変形を抑制する変形抑制体であって、側面に開口部を有する円筒状であることを特徴とする。

また、本発明の変形抑制体において、前記開口部の面積が、前記側面の面積の４％〜３２％であることが好ましい。

また、本発明の変形抑制体において、前記開口部が、前記側面の端縁から高さ方向に延びる、スリット状であることが好ましい。

また、本発明の変形抑制体において、前記開口部が、前記側面の上端縁から高さ方向に延びていることが好ましい。

また、本発明の変形抑制体において、前記開口部が、前記側面の高さ方向において、上端縁から４０％〜８０％の位置に設けられていることが好ましい。

また、本発明の変形抑制体において、アルミナ又はジルコニアを主成分とすることが好ましい。

また、本発明の酸化物単結晶育成装置は、本発明の変形抑制体を備えることを特徴とする。

本発明によれば、側面に開口部を有する円筒状であることにより、坩堝の変形を抑えて、坩堝に熱が伝わりやすくすることができる。

本発明の一実施形態にかかる変形抑制体を示す斜視図である。 図１の変形抑制体、坩堝、坩堝台を示す分解斜視図である。 本発明の変形抑制体の変形例を示す斜視図である。 本発明の一実施形態にかかる単結晶育成装置を模式的に示す断面図である。

［変形抑制体］
以下、本発明の一実施形態にかかる変形抑制体について、図１、図２を参照して説明する。図１は本実施形態にかかる変形抑制体１０を示す斜視図である。図２は、酸化粒単結晶の育成において、変形抑制体１０を用いる際の、坩堝２０、坩堝台３０との位置関係の一例を示す分解斜視図である。

本発明の一実施形態にかかる変形抑制体１０は、例えば、鉱工業や理化学実験等において、高熱を利用して物質の溶融や合成を行う際に、アルミニウム、白金等の金属製坩堝の熱変形による不具合が生じる場合において、その変形を抑制するために用いることができる。例えば、チョクラルスキー法（Ｃｚ法）による、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム（以下、「ＬＴ」と記載する場合がある。）、ランガサイト等の単結晶の育成において有用である。以下、変形抑制体１０をＣｚ法に用いる場合について説明する。

チョクラルスキー法は、ある結晶方位に従って切り出された、通常、断面視における一辺が５ｍｍ〜１０ｍｍ程度の直方体の単結晶の先端を種結晶として、この種結晶と同一組成の単結晶の原料融液に浸潤し、種結晶を回転しながら徐々に引き上げることによって、種結晶の性質を単結晶に伝播しながら大口径化して単結晶を製造する（育成する）方法である。

チョクラルスキー法における単結晶の育成過程は、まず、結晶径を徐々に拡大させて種結晶から円錐形状の肩部を形成する肩部形成過程と、所望の結晶径となるまで拡大させて肩部を形成したのち、円柱形状の直胴部を形成する直胴部形成過程と、を備える。肩部形成過程、直胴部形成過程に亘って、種結晶を坩堝上方の空間に向かって引き上げながら単結晶の育成を行うことができる。

以上のようなチョクラルスキー法による単結晶の育成において、変形抑制体１０は、原料を入れる坩堝の外周を囲む耐火物として、坩堝の変形を抑制するために用いられるものである。例えば、図２に示すように、変形抑制体１０を坩堝台３０に載置して、変形抑制体１０の内側に坩堝を配置して用いられる。本実施形態において、変形抑制体１０の高さ方向は単結晶の直胴部の育成方向である。

図１に示すように、変形抑制体１０は、側面に開口部を有する円筒状であり、円筒状の側壁１１を備え、側壁１１には、ヒーターからの熱が坩堝へ伝わりやすくなるように、側壁１１の外周面から内周面に亘って貫通して設けられた開口部１２が設けられている。すなわち、開口部１２は、側壁１１の径方向に貫通して形成されている。また、坩堝の熱膨張力に対する強度と熱伝導性を満足するべく、側壁１１の肉厚は１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下程度とすることができる。また、単結晶の育成工程において、変形抑制体１０の内側に配置する坩堝が外方に熱膨張することを考慮して、変形抑制体１０の内径寸法と、坩堝の外径寸法との差が１ｍｍ〜３ｍｍ程度となるように、変形抑制体１０を形成することが望ましい。

また、側壁１１の外周面において、開口部１２の面積が、側壁１１の面積の４％〜３２％であることが好ましい。これにより、変形抑制体１０を繰り返し使用しても、坩堝の変形を十分に抑制可能な強度を保ち、かつ、抵抗発熱体の出力調整に対して応答性良く坩堝を加熱することができる。

本実施形態において、開口部１２は、側壁１１の上端縁から下方に向かって高さ方向に延びる、スリット状に形成されている。また、本実施形態において、開口部１２は、側壁１１の周方向において等間隔に、１０個形成されている。開口部１２をスリット状とすることにより、坩堝の膨張に伴う変形抑制体１０内壁にかかる応力を吸収できるほか、開口部１２を形成するための加工が容易となり、変形抑制体１０を低コストで作製することができる。また、開口部１２が側壁１１の上端縁から高さ方向にのびていることから、変形抑制体１０の下部を環状にして、坩堝の変形しやすい下部の変形をより効率よく抑制することができる。なお、内部に設置する坩堝を均一に加熱するために、変形抑制体１０において、変形抑制体１０の円筒を縦に貫く円筒の中心軸Ｋを対称中心として、開口部１２が平面視で点対称の位置に設けられていることが好ましい。

また、本実施形態のように、開口部１２をスリット状に形成する場合、坩堝の膨張が変形抑制体１０に与える応力、及び、変形抑制体１０の強度を考慮して、変形抑制体の円周寸法に対する開口部１２を除いた周方向長さ寸法の比率は０．６０〜０．９８とすることが好ましい。なお、「変形抑制体の円周寸法に対する開口部１２を除いた周方向長さ寸法の比率」とは、「（円周寸法−開口部１２の周方向寸法ｗの合計）／円周寸法」により算出することができる。

また、開口部１２は、側面の高さ方向において、上端縁から４０％〜８０％の位置に設けられていることが好ましい。すなわち、本実施形態のように、開口部１２をスリット状に形成する場合、変形抑制体１０の高さ方向において、スリット状に形成された開口部１２寸法（図１に示すｈ）が、側壁１１の寸法（図１に示すＨ）の４０％〜８０％であることが好ましい。単結晶育成過程において、坩堝の変形は、原料残渣が残っている領域、すなわち、通常では坩堝のおよそ下部１／２から１／３の部分で膨張変形が大きくなる。よって、開口部１２の高さ寸法ｈを側壁１１の寸法Ｈの４０％〜８０％とすることにより、坩堝の変形しやすい部分を囲む変形抑制体１０の部分に開口部１２を設けないことにより、強度が高くなり、坩堝の変形をより効率よく抑制することができる。

また、変形抑制体１０の材料としては、耐火性が高く、かつ、熱伝導性の高い材料を用いることが好ましく、特に、アルミナ又はジルコニアを主成分とすることが好ましく、抵抗加熱方式のＣｚ法に用いることを考慮すれば、熱伝導性がより高いアルミナを用いることがさらに好ましい。ここで、「主成分」とは、変形抑制体１０の材料全体のうち、９０％以上含まれる成分を示すものとする。アルミナ又はジルコニアを主成分とすることにより、変形抑制体１０の熱伝導性を高くすることができ、坩堝を十分に加熱することができる。ただし、アルミナやジルコニアが主成分でなくてもよく、５０％〜９０％未満であっても、アルミナやジルコニアの特性を発揮することができれば、変形抑制体１０の材料として好適に使用可能である。

単結晶の育成工程において、単結晶原料及び坩堝は昇温とともに膨張する。本実施形態の変形抑制体１０を用いることにより、単結晶育成における坩堝下部の膨張を抑制して、坩堝の変形を抑制することができる。よって、同じ坩堝を繰り返し使用して単結晶の育成回数を重ねても、同じ条件で単結晶を育成することができ、単結晶の品質安定性を向上させることができる。

また、本実施形態の変形抑制体１０が開口部１２を備えていることから、開口部１２を設けない変形抑制体よりも軽量で熱容量が小さく、坩堝に熱が伝わりやすい。このため、シーディング（種付け）過程や単結晶成長過程での抵抗発熱体の出力調整に対する坩堝温度の応答性を良好にすることができる。その結果、装置の調整操作と坩堝温度変化との時間差が少なくなり、育成装置の炉内における所望の温度勾配を維持することができ、単結晶品質が劣化する等の不具合が生じ難くすることができる。

以上のように、本実施形態の変形抑制体１０を用いることにより、坩堝の変形を抑制して、かつ、坩堝に熱が伝わりやすいことから、育成ロットを重ねても、単結晶育成条件を同様にすることができ、安定した単結晶育成が可能となる。また、育成装置炉内における所望の温度勾配を維持することが容易となり、単結晶の品質を安定させることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。

前述した実施形態においては、側壁１１の上端縁から下方に向かって高さ方向に延びるスリット状の開口部１２が形成されていたが、上下を逆にして開口を形成してもよい。すなわち、変形抑制体の側壁に、変形抑制体の下端縁から上方に向かって高さ方向に延びるスリット状の開口を形成してもよい。単結晶原料は坩堝の下部に充填されていることから、開口を変形抑制体の下部に設けることにより、坩堝下部がより加熱されやすくなり、単結晶原料を溶融しやすくすることができ、また、育成条件の調整をしやすくすることができる。

また、前述した実施形態においては、開口部１２が、スリット状であり、１０個形成されていたが、開口部の形状や個数は上記に限定されない。例えば、スリットの方向や幅、個数は、変形抑制体の内部に用いる坩堝の大きさや、育成する単結晶等に応じて、適宜変更することができる。

また、変形抑制体における開口部の形状はスリット状に限定されるものではなく、坩堝の加熱効率や、変形抑制体の加工しやすさ等を考慮して適宜変更することができる。例えば、図３に示す変形抑制体１０ａように、側壁１１に円形状の複数の開口部１２ａが等間隔で配置されて形成されていてもよい。これにより、変形抑制体の強度を高め、かつ、坩堝に熱が均一に伝わりやすくすることができる。

［単結晶育成装置］
次に、本発明の一実施形態にかかる単結晶育成装置１００について、図４を参照して説明する。

本実施形態の単結晶育成装置１００は、前述した変形抑制体１０を備える装置であり、抵抗加熱方式の加熱手段を備え、Ｃｚ法を利用した単結晶の育成に用いる装置である。育成する単結晶は、特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ランガサイト等の単結晶を育成することができる。また、単結晶の育成に用いる雰囲気は、大気、窒素またはアルゴン等の不活性ガスとすることができる。

単結晶育成装置１００は、図４に示すように、変形抑制体１０と、坩堝２０と、坩堝台３０と、上段ヒーター４０と、下段ヒーター５０と、耐火物６０と、シード棒７０と、単結晶育成装置１００の動作を制御する不図示の制御手段と、を備える。また、図４においては、種結晶をＡ、育成された単結晶をＢ、原料融液をＣの符号で示している。なお、変形抑制体１０は前述した実施形態と同様のものであることから、説明を省略する。

坩堝２０は、単結晶Ｂの原料を入れるためのものであり、円形の底部２１と、底部２１の外縁部から立設した円筒形の側壁部２２と、を有し、上部が開口した形状を有している。育成過程において、原料は、溶融した融液Ｃの状態で坩堝２０内に保持されることから、坩堝２０は、単結晶材料に応じて、最適な材料を用いて形成することができる。例えば、耐熱性が高い白金、イリジウム等の貴金属を用いて坩堝を形成することができる。

坩堝台３０は、変形抑制体１０及び坩堝２０が載置される台である。坩堝台３０は、上部坩堝台３１と、円筒状の下部坩堝台３２と、からなる。上部坩堝台３１は、平面視で中央部分が開口した円形状の上面壁３１１と、上面壁３１１の外縁部に連なる円筒状の側壁部３１２と、を有している。図４に示すように、上部坩堝台３１が下部坩堝台３２の上に組み合わされて、坩堝台３０を構成している。また、坩堝台３０は、ジルコニア、アルミナ等耐熱性のセラミックス等を用いて形成することができる。また、坩堝台３０に載せられた変形抑制体１０及び坩堝２０を上下動させるために、不図示の坩堝台駆動機構を設けてもよい。

上段ヒーター４０、下段ヒーター５０は、電気抵抗を利用する抵抗加熱方式により上段ヒーター４０自身が発熱する円筒状の加熱手段であり、不図示の外部の電源に接続されている。上段ヒーター４０は、育成された単結晶Ｂを加熱して保温するために、坩堝２０の上方に配置されている。また、下段ヒーター５０は、坩堝２０内の単結晶原料を溶融するために、坩堝２０の外方に配置されている。また、上段ヒーター４０、下段ヒーター５０としては、カーボン、ニクロム、二珪化モリブデン等を抵抗発熱体としたものを用いることができる。単結晶を育成する場合には、酸素雰囲気中で有用なニクロムや二珪化モリブデンを抵抗発熱体としたものが好ましく、さらに、高融点のタンタル酸リチウムの単結晶を育成する場合には、耐熱性の高い二珪化モリブデンを抵抗発熱体としたものが好ましい。

耐火物６０は、上段耐火物６１と、遮へい耐火物６２と、下段耐火物６３と、底部耐火物６４と、を備える。耐火物６０は、ジルコニア、アルミナ等の耐熱性のセラミックスを用いて形成することができる。

上段耐火物６１は、外部への熱の放出を抑制する部材であり、上段ヒーター４０の径方向外方を囲む円筒状の側壁部６１１と、上段ヒーター４０及び側壁部６１１の上部を覆う、円環状の蓋部６１２と、を有する。また、側壁部６１１と蓋部６１２が、それぞれ、炉壁と天井部となり、炉壁と天井部に囲まれた炉内Ｓを規定している。また、蓋部６１２は、シード棒７０が上下移動できるように、炉内Ｓに挿通するべく、開口部６１２ａを有している。また、開口部６１２ａは、シード棒７０の断面よりも大きく形成され、育成される単結晶Ｂの断面よりも小さく形成されている。

遮へい耐火物６２は、坩堝２０の上端部分を囲む円盤状に形成され、上部への熱の放出を抑制する断熱部材であり、上段ヒーター４０による上部加熱空間と下段ヒーター５０による下部加熱空間を分離している。

下段耐火物６３は、外部への熱の放出を抑制する部材であり、下段ヒーター５０の外方を囲む円筒状に形成されている。

底部耐火物６４は、単結晶育成装置１００の下方から外部への熱の放出を抑制する部材であり、単結晶育成装置１００の下部全体を覆うように構成されている。図４に示すように、底部耐火物６４には、坩堝台３０、及び、下段耐火物６３が載置されている。

シード棒７０は、坩堝２０に入れられた単結晶Ｂの原料の融液Ｃの表面に種結晶Ａを接触させ、単結晶Ｂを回転させながら引き上げるために用いられるものである。シード棒７０は、例えば、白金等の材料を用いて構成され、シード棒７０の下端に種結晶Ａを保持する保持部７１を有する棒状の部材を用いることができる。シード棒７０は、単結晶Ｂの育成に伴って、種結晶Ａとともに、単結晶Ｂを吊り下げて保持することができる。

また、単結晶育成装置１００においては、単結晶Ｂの引き上げ、及び、回転を、シード棒７０の引き上げ、及び、シード棒７０の軸を中心とした回転により行う。シード棒７０の上下移動、及び、回転を行うため、例えば、不図示のモータを備えたシード棒駆動手段が設けられている。また、シード棒７０の回転速度、引き上げ速度は、形成する単結晶の径の大きさ、直胴部の長さ等により適宜設定することができる。

不図示の制御手段は、結晶育成プロセスを含めた単結晶育成装置１００全体の制御を行うための手段である。制御手段は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、中央処理装置）、及び、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリを備えている。また、制御手段は、プログラムにより動作するマイクロコンピュータから構成されてもよいし、特定の用途のために開発されたＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ Ｉｎｔｅｇｒａ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の電子回路から構成されてもよい。

次に、単結晶の育成方法の一例として、本実施形態の単結晶育成装置１００を使用した、単結晶Ｂの育成方法を説明する。

まず、坩堝２０に、単結晶Ｂの原料を充填して、上段ヒーター４０、下段ヒーター５０により坩堝２０を加熱して、坩堝２０内の原料を融点以上に加熱して融解することにより、単結晶Ｂの原料の融液Ｃを得る。次に、シード棒７０の下端の保持部７１に取り付けられた、種結晶Ａを、坩堝２０内の原料の融液上面に接触させる。これを、シーディングという。その後、シード棒７０のシード棒駆動手段により、種結晶Ａを回転させながら徐々に上方の炉内Ｓへ引き上げる。単結晶Ｂの育成中は、上段ヒーター４０、及び、下段ヒーター５０による加熱温度や、シード棒７０の回転数、及び、引き上げ速度等を制御手段等により制御することにより、単結晶Ｂに肩部及び直胴部を育成する。直胴部が所定の長さになったところで、シード棒７０の引き上げ速度等を制御して、原料の融液上面と育成した単結晶の下端とを切り離し、単結晶を冷却して単結晶が完成する。

本実施形態の単結晶育成装置１００によれば、変形抑制体１０を備えることから、坩堝２０の変形を抑制して、同じ坩堝を繰り返し用いて育成ロットを重ねても、結晶育成条件を同様にすることができ、安定した結晶育成が可能となる。また、装置の調整操作と坩堝温度変化との時間差が少なくなり、単結晶育成装置１００の炉内Ｓにおける所望の温度勾配を維持することが容易となり、単結晶の品質を安定させることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、変形等も本発明に含まれる。例えば、各部材の形状、材質や、各部材の構成は、坩堝の種類、口径寸法、長さ寸法等により適宜変更することができる。その他、本発明を実施するための最良の形態等は、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に説明されているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、限定の一部、もしくは全部の限定を外した記載は、本発明に含まれるものである。

以下、本発明の実施例によって、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されることはない。

［実施例］
（単結晶育成装置）
本実施例では、単結晶育成装置として、前述した実施形態の単結晶育成装置１００と同様の構成のものを用いた。また、坩堝は、外径１７０ｍｍ、外高１００ｍｍ、厚さ１ｍｍの白金製のものを用いた。また、変形抑制体として、外径１９８ｍｍ、内径１７３ｍｍ、高さ７０ｍｍのアルミナを主成分とする化合物（酸化アルミニウム９６．３％、二酸化珪素２．５％、酸化カルシウム０．５％、酸化マグネシウム０．３％、酸化ナトリウム０．３％、その他０．１％）の円筒状部材に、変形抑制体の上端縁から長さ４０ｍｍ、周方向の幅寸法が２ｍｍのスリットが、周方向に等間隔で１０本形成されているものを用いた。また、変形抑制体の円周寸法に対する、スリット部を除いた周方向長さ寸法の比率は、{（２×π×１９８／２−２×１０）／（２×π×１９８／２）}≒０．９７であり、変形抑制体の高さ方向の寸法Ｈに対して、スリットの寸法ｈの比率ｈ／Ｈは、０．５７（４０／７０＝０．５７）であった。

（単結晶の育成）
本実施例においては、同じ坩堝及び同じ変形抑制体を繰り返し用いて、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）の単結晶を、１０回育成した。

まず、坩堝の中にＬＮの原料を充填して、上段ヒーター、下段ヒーターの温度が１６００℃となるように電力を投入し、坩堝及び原料を加熱した。ＬＮの原料は６時間で融解した。原料が融解した後、上段ヒーター及び下段ヒーターの出力を制御して、シーディングに適した温度に調整した。さらに、白金製のシード棒を下降させ、シード棒の先端に取り付けられたＬＮの種結晶と融液となった原料と接触させた。種結晶は、直方体状であり、種結晶の長手方向（育成方向）とＬＮ結晶のｃ軸方向とが平行になるようにした。その後、シード棒を１ｒｐｍ〜２０ｒｐｍで速度調整して回転させながら、２ｍｍ／ｈ〜５ｍｍ／ｈの速度で鉛直上方に引き上げることによって、種結晶から連続的に延びるＬＮ単結晶を育成した。この時、投入した原料に対する育成した単結晶の質量割合は、０．５５〜０．６４であった。このため、続けて単結晶を育成するにあたり、育成後の原料投入量は、原料全体の質量に対し、０．３６〜０．４５であった。

（育成した単結晶と坩堝形状の評価）
上記方法により育成した単結晶と、育成毎の坩堝形状の変化の評価を行った。単結晶の育成結果については、目視により、育成した単結晶におけるクラックの有無、及び、ボイドの有無を確認し、異常がないものについては、育成結果「良」とし、異常があるものについては、育成結果「不良」とした。また、坩堝形状の変化については、坩堝の上端から２０ｍｍ、４０ｍｍ、６０ｍｍの各位置における外径を、各回の育成開始前に測定して評価した。坩堝の直径は、４方向で測定した測定値の平均値とした。評価結果を表２に示した。

［比較例］
坩堝の周囲に変形抑制体を用いないこと以外は、実施例と同様の方法によりＬＮ単結晶を育成した。比較例において、投入した原料に対する単結晶の質量割合は、０．５７〜０．６８であった。このため、育成後の原料投入量は、原料全体の質量に対し、０．３２〜０．４３であった。評価結果を表３に示した。

［評価結果］
表２に示すように、実施例の単結晶の１０回の育成において、坩堝の外径寸法は、上端から２０ｍｍにおいては１６９．３ｍｍ〜１７０．３ｍｍ、上端から４０ｍｍにおいては１７０．０ｍｍ〜１７２．７ｍｍ、上端から６０ｍｍにおいては１７０．２ｍｍ〜１７２．３ｍｍ、上端から８０ｍｍにおいては１７０．０ｍｍ〜１７２．４ｍｍであった。すなわち、いずれの箇所の直径においても、変形抑制体の内径（１７３ｍｍ）を超える変形は認められなかったことから、変形抑制体による坩堝の変形を抑制する効果が明らかに認められた。また、実施例においては、育成した単結晶１０本のうち、すべてが育成結果「良」であった。実施例においては、坩堝の変形率は最大でも１．６％（育成回数「１０」における、上端から４０ｍｍの直径）に留めることができ、育成回数が増えても問題なく単結晶を育成することができた。本実施例においては、育成回数１０回で評価したが、変形抑制体にも異常はなく、１０回以後も繰り返し使用可能であると考えられた。すなわち、変形抑制体を用いることで、坩堝が変形抑制体の内径（１７３ｍｍ）より大きく変形しないため、変形抑制体に異常がない限りは、同一の坩堝を連続して用いて更に育成回数を増やすことが見込めた。

表３に示すように、比較例の単結晶の１０回の育成において、坩堝の外径寸法は、上端から２０ｍｍにおいては１６８．０ｍｍ〜１７０．１ｍｍ、上端から４０ｍｍにおいては１７０．２ｍｍ〜１７５．３ｍｍ、上端から６０ｍｍにおいては１７０．０ｍｍ〜１７８．１ｍｍ、上端から８０ｍｍにおいては１７０．１ｍｍ〜１７８．８ｍｍであった。すなわち、変形抑制体を用いなかったことにより、変形抑制体の内径よりも大きい変形が認められた。また、比較例においては、育成した単結晶１０本のうち、６本が育成結果「良」であり、４本が多結晶であり育成結果「不良」であった。比較例においては、坩堝の変形率が２．５％（上端から８０ｍｍの直径）となった６回目で育成不良となり、また、坩堝は最大で５．１％（育成回数「９」における上端から８０ｍｍの直径）変形した。この結果から、変形抑制体を用いなかった場合には、同一の坩堝を連続して６回以上使用することは、難しいことが示唆された。

また、坩堝の変形が特に大きくなりやすい部分である、坩堝上端から８０ｍｍにおいて、実施例では、坩堝の変形率が最大でも１．４％（育成回数「８」及び「９」）であったのに対し、比較例では育成回数「９」において最も変形し、坩堝の変形率が最大で５．１％であった。これにより、実施例の変形抑制体により、坩堝の変形が大きくなりやすい部分において、坩堝の変形を抑える効果が特に大きいことが示された。

［まとめ］
以上の評価結果より、本発明の例示的態様である変形抑制体を用いた実施例においては、変形抑制体を用いることにより、坩堝の変形が小さく、特に、単結晶の育成回数を重ねても、坩堝の下部がほとんど膨らまなかった。これにより、育成条件を同一に維持することができたことから、良好な単結晶を安定して育成することができることが示された。

１０ 変形抑制体
１１ 側壁
１２ 開口部
２０ 坩堝
３０ 坩堝台
４０ 上段ヒーター
５０ 下段ヒーター
６０ 耐火物
７０ シード棒
１００ 単結晶育成装置

Claims (7)

1. 坩堝の変形を抑制する変形抑制体であって、
   側面に開口部を有する円筒状であることを特徴とする変形抑制体。
2. 前記開口部の面積が、前記側面の面積の４％〜３２％であることを特徴とする請求項１に記載の変形抑制体。
3. 前記開口部が、前記側面の端縁から高さ方向に延びる、スリット状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の変形抑制体。
4. 前記開口部が、前記側面の上端縁から高さ方向に延びていることを特徴とする請求項３に記載の変形抑制体。
5. 前記開口部が、前記側面の高さ方向において、上端縁から４０％〜８０％の位置に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の変形抑制体。
6. アルミナ又はジルコニアを主成分とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の変形抑制体。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の変形抑制体を備えることを特徴とする単結晶育成装置。

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