JP2021172575A - 坩堝および結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】種結晶により引き出される融液の温度分布の均一化を向上させ、より均一な組成の結晶を得ることができる坩堝と、その坩堝を用いる結晶製造装置を提供すること。【解決手段】結晶の原料となる融液を溜める融液貯留部２４と、結晶の形状を制御するダイ部３４と、を有する坩堝である。ダイ部３４は、融液貯留部２４の底面に具備してある貯留部流出口３２から、ダイ部３４の端面に具備してあるダイ流出口３８に向けて、融液３０を通すダイ流路３６を有し、ダイ流路３６は、流路断面積がダイ流出口３８の開口面積よりも小さい狭隘部３６ａ１を有する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、たとえばマイクロ引き下げ法（以下、μ−ＰＤ法という）などに用いる坩堝と、その坩堝を有する結晶製造装置に関する。

μ−ＰＤ法では、坩堝の細孔から流出した単結晶材料の溶融液が細孔下方に配置された種結晶と接触し、溶融液の冷却とともに種結晶上に所望の単結晶が成長する。単結晶の成長速度にあわせて種結晶を保持する種結晶保持具を引き下げることで種結晶の引き下げ方向に単結晶を育成できる。

μ−ＰＤ法において使用される坩堝として、たとえば下記の特許文献１に示す坩堝が知られている。特許文献１に示す坩堝では、坩堝の外底面の形状を工夫したり、細孔の数を増やしたり、アフターヒータを具備させることなどで、種結晶により引き出される融液の温度分布の均一化を図り、均一な組成の結晶を得ることが試みられている。

しかしながら、従来の坩堝の構成では、種結晶により引き出される融液の温度分布の均一化を十分に達成することが困難であることが明らかになってきた。

特開２００５−３５８６１号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、種結晶により引き出される融液の温度分布の均一化を向上させ、より均一な組成の結晶を得ることができる坩堝と、その坩堝を用いる結晶製造装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る坩堝は、
結晶の原料となる融液を溜める融液貯留部と、結晶の形状を制御するダイ部と、を有する坩堝であって、
前記ダイ部は、前記融液貯留部の底面に具備してある貯留部流出口から、前記ダイ部の端面に具備してあるダイ流出口に向けて、前記融液を通すダイ流路を有し、
前記ダイ流路は、流路断面積が前記ダイ流出口の開口面積よりも小さい狭隘部を有することを特徴とする。

本発明者は、温度分布の均一化について鋭意検討した結果、坩堝の融液貯留部からダイ流路に融液を通す際に、ダイ流路の途中に狭隘部を設けることで、種結晶により引き出される融液の温度分布の均一化（特に融液の引出方向に垂直な面に沿っての固液界面での温度分布の均一化）が図れることを見出し、本発明を完成させるに至った。しかも本発明者等の実験によれば、坩堝を用いることで、より均一（特に結晶の引出方向に垂直な面に沿っての均一）な組成の結晶が得られることが確認できた。

好ましくは、前記ダイ流路には、前記融液の引き下げ方向に沿って、前記狭隘部から前記ダイ流出口に向けて流路断面積が広がる末広がり部を有する。このように構成することで、種結晶により引き出される融液の温度分布の均一化と、得られる結晶の組成の均一化が向上する。

前記ダイ流路は、前記貯留部流出口が入口となる導入部と、前記導入部に連通する流路本体部とを有してもよく、前記流路本体部の出口が前記ダイ流出口であることが好ましい。ダイ流路は、導入部が無くてもよく、流体本体部のみでもよいが、導入部があることが好ましい。

前記導入部は、流路断面積が流れ方向に沿って変化してもよいが、好ましくは、前記導入部が、前記融液の流れる方向に沿って流路断面積が略一定の直胴部からなる。略一定とは、多少、変化してもよいという意味であり、流路本体部に形成される末広がり部よりは断面積の変化が少ないことを意味する。導入部は、貯留部流出口から流路本体部に向けて、流路が多少広がってもよく、多少狭くなっていてもよい。

好ましくは、前記導入部（前記貯留部流出口、前記導入部の途中、または前記導入部と前記流路本体部との境界を含む）に、前記狭隘部が形成してある。導入部が直胴部の場合には、狭隘部は、直胴部の途中、または貯留部流出口、または導入部と流路本体部との境界に形成される。導入部に狭隘部が形成してあることで、貯留部に貯留してある融液がダイ流路を通過する流量を調整することが容易になり、安定した速度でダイ流出口から融液を引き出すことができ、結晶の組成の均一化（引出方向の均一化）が向上する。

前記流路本体部に前記狭隘部が形成してあっても良い。流路本体部に狭隘部が形成してある場合には、その狭隘部からダイ流出口に向けて流路断面が広がる末広がり部が形成される。流路本体部に形成してある狭隘部と、導入部との間には、導入部と狭隘部よりも断面積が大きな中間広がり部が形成してあってもよい。

好ましくは、前記ダイ流出口の開口面積（Ｓ２）と、前記狭隘部の流路断面積（Ｓ１）との比率（Ｓ２／Ｓ１）が３〜３０００ である。このような範囲にあることで、種結晶により引き出される融液の温度分布の均一化と、得られる結晶の組成の均一化が向上する。

好ましくは、前記ダイ部の端面で、前記ダイ流出口の周りには、前記融液が引き出される方向に実質的に垂直で平坦な端周面が具備してある。このように構成することで、坩堝を用いて得られる結晶の外周面形状を容易に制御することができる。

好ましくは、前記ダイ流出口の開口面積（Ｓ２）と、前記ダイ流出口の開口面積（Ｓ２）と前記端周面の面積（Ｓ３）の和との比（Ｓ２／（Ｓ２＋Ｓ３））が０．１〜０．９５であり、０．５０〜０．９０であればなお好ましい。このように構成することで、種結晶により引き出される融液の温度分布の均一化と、得られる結晶の組成の均一化がより向上する。

坩堝は、耐熱性を有する材料で構成され、たとえばイリジウム、レニウム、モリブデン、タンタル、タングステン、白金、または、これらの合金、あるいはカーボンなどで構成される。

本発明の結晶製造装置は、上記のいずれかの坩堝を含む。

図１は本発明の実施形態に係る結晶製造装置の概略断面図である。 図２Ａは図１に示す結晶製造装置のII部分の拡大断面図である。 図２Ａ１は図２Ａに示すダイ部の拡大断面図である。 図２Ｂは本発明の他の実施形態に係る結晶製造装置の拡大断面図である。 図２Ｃは本発明のさらに他の実施形態に係る結晶製造装置の拡大断面図である。 図２Ｄは図２Ａのさらに他の変形例である第４実施形態に係る結晶製造装置の拡大図面である。 図３Ａは図２Ａに示すダイ部のIII−III線に沿う矢視図である。 図３Ｂは本発明の実施例に係る結晶製造装置を用いてダイ部から融液を引き出した直後の融液の温度分布を示す概略図である。 図３Ｃは本発明の実施例に係る結晶製造装置を用いて製造されたＣｅ：ＹＡＧの断面におけるＣｅの濃度分布を示す概略図である。 図４は本発明の比較例に用いた従来の結晶製造装置のダイ部の拡大断面図である。 図５Ａは図４のＶ−Ｖ線に沿う矢視図である。 図５Ｂは比較例に係る結晶製造装置を用いてダイ部から融液を引き出した直後の融液の温度分布を示す概略図である。 図５Ｃは比較例に係る結晶製造装置を用いて製造されたＣｅ：ＹＡＧの断面におけるＣｅの濃度分布を示す概略図である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。

第１実施形態
図１に示すように、本実施形態の結晶製造装置２は、坩堝４と、耐火炉６とを有する。坩堝４については、後述する。耐火炉６は、坩堝４の周りを２重に覆っている。耐火炉６には、坩堝４からの融液の引き下げ状態を観察するための観察窓１８，２０が形成してある。

耐火炉６は、さらに外ケーシング８により覆われており、外ケーシング８の外周には、坩堝４の全体を加熱するための主ヒータ１０が設置してある。本実施形態では、外ケーシングは、たとえば石英管で形成してあり、主ヒータ１０としては、誘導加熱コイル１０を用いている。坩堝４の下方には、種結晶保持治具１２により保持された種結晶１４が配置される。種結晶１４としては、製造されるべき結晶と同一または同種類の結晶が用いられる。たとえば製造すべき結晶がＣｅドープのＹＡＧ結晶であれば、添加物を含まないＹＡＧ単結晶などが用いられる。

種結晶保持治具１２の素材は特に限定されないが、使用温度である１９００℃付近において影響の少ない緻密アルミナ等で構成されることが好ましい。種結晶保持治具１２の形状と大きさも特に限定されないが、耐火炉６に接触しない程度の径である棒状の形状であることが好ましい。

図２Ａに示すように、坩堝４の下端外周には、筒状のアフターヒータ１６が設置されている。アフターヒータ１６は、耐火炉６の観察窓２０と同位置に観察窓２２が形成してある。アフターヒータ１６は、坩堝４に連結して用いられ、筒状のアフターヒータ１６の内部空間に、坩堝４のダイ部３４のダイ流出口３８が位置するように配置され、ダイ部３４とダイ流出口３８から引き出される融液とを加熱可能になっている。アフターヒータ１６は、たとえば坩堝４と同様（同一である必要はない）な材質などで構成され、坩堝４と同様に高周波コイル１０によりアフターヒーター１６が誘導加熱されることで、アフターヒーター１６の外表面から輻射熱が発生し、ヒータ１６の内部を加熱可能になっている。

なお、図示しないが、結晶製造装置２には、耐火炉６の内部を減圧する減圧手段、減圧をモニターする圧力測定手段、耐火炉６の温度を測定する温度測定手段および耐火炉６の内部に不活性ガスを供給するガス供給手段が設けられている。

結晶の融点が高いなどの理由から、坩堝４の材質はイリジウム、レニウム、モリブデン、タンタル、タングステン、白金、または、これらの合金であることが好ましい。また、坩堝４はカーボン製であってもよい。また、坩堝４の材質の酸化による結晶への異物混入を防止するために、坩堝４の材質としては、イリジウム（Ｉｒ）を用いることがより好ましい。

なお、１５００℃以下の融点の物質を対象とする場合は、坩堝４の材質としてＰｔを使用することが可能である。また、坩堝４の材質としてＰｔを使用する場合には、大気中での結晶成長が可能である。１５００℃を超える高融点物質を対象とする場合は、坩堝４の材質として、Ｉｒ等を用いるため、結晶成長はＡｒ等の不活性ガス雰囲気下で行われることが好ましい。耐火炉６の材質は特に限定されないが、保温性や使用温度、結晶への不純物混入防止の観点からアルミナであることが好ましい。

次に、本実施形態の結晶製造装置２に用いる坩堝４について詳細に説明する。図２Ａに示すように、本実施形態に係る坩堝４は、結晶の原料となる融液３０を溜める融液貯留部２４と、結晶の形状を制御するダイ部３４とを有し、これらは一体的に形成してある。なお、坩堝４が大型の場合には、融液貯留部２４の長手方向の途中で複数の部材を接合して坩堝４を構成してもよい。

本実施形態では、坩堝４は、μ−ＰＤ法に用いられ、ダイ部３４が融液貯留部２４の鉛直方向の下側に位置し、融液貯留部２４に貯留してある融液３０は、ダイ部３４の下端面４２に形成してあるダイ流出口３８から、種結晶１４により鉛直方向の下側に引き出されるようになっている。

融液貯留部２４は、筒状の側壁２６と、側壁２６に連続して形成してある底壁２８とで構成される。側壁２６の内面と底壁２８の内面とで、一定量の融液３０を融液貯留部２４に貯留可能になっている。底壁２８の略中央部には、貯留部流出口３２が形成してある。貯留部流出口３２は、ダイ部３４に形成してあるダイ流路３６に連通してある。ダイ流路３６については後述する。

底壁２８の内面は、下方に向けて内径が小さくなる逆テーパ状の傾斜面となっており、融液貯留部２４内の融液３０が、貯留部流出口３２に向けて流れやすくなっている。底壁２８の外側面は、側壁２６の外側面と面一となっていることが好ましく、さらに、アフターヒータ１６の外側面とも面一となっていることが好ましい。底壁２８の下面２８ａは、融液３０の流れ方向（引出方向または引き下げ方向とも言う）Ｚに略垂直な平面となっており、その外周部にアフターヒータ１６が連結される。

底壁２８の下面２８ａの略中央部に、ダイ部３４の少なくとも一部が下方に突出するように形成してある。図２Ａ１に示すように、ダイ部３４の下端面４２は、底壁２８の下面２８ａから、所定距離Ｚ１で突出している。ダイ部３４の下端面４２の略中央部に形成してあるダイ流出口３８と、底壁２８の略中央部に形成してある貯留部流出口３２とは、ダイ部３４に形成してあるダイ流路３６により連絡してある。

本実施形態では、ダイ流路３６は、貯留部流出口３２が入口となる導入部３６ａと、導入部３６ａに連通する流路本体部３６ｂとを有し、流路本体部３６ｂの出口がダイ流出口３８となる。ダイ流路３６は、導入部３６ａを有さなくてもよく、流体本体部３６ｂのみでもよいが、導入部３６ａがあることが好ましい。

本実施形態では、導入部３６ａは、流路断面積（流れ方向に垂直な断面積）が流れ方向に沿って変化してもよいが、好ましくは、導入部３６ａが、引出方向Ｚに沿って流路断面積が略一定の直胴部からなる。本実施形態では、略一定とは、多少、変化してもよいが、流路本体部３６ｂに形成される末広がり部４０よりは断面積の変化が、かなり少なく、断面積の変化は、好ましくは±１０％以内程度の変化、さらに好ましくは±５％以内である。導入部３６ａは、貯留部流出部３２から流路本体部３６ｂに向けて、流路が多少広がってもよく、多少狭くなっていてもよい。

本実施形態では、導入部３６ａ（貯留部流出口３２、導入部３６ａの途中、または導入部３６ａと流路本体部３６ｂとの境界を含む）に、狭隘部３６ａ１が形成してある。導入部３６ａが直胴部の場合には、狭隘部３６ａ１は、直胴部の途中、または貯留部流出口３２、または導入部３６ａと流路本体部３６ｂとの境界において、流路断面積が最小になる部分に形成される。導入部３６ａに狭隘部３６ａ１が形成してあることで、貯留部２４に貯留してある融液がダイ流路３６を通過する流量を調整することが容易になり、安定した速度でダイ流出口３８から融液を引き出すことができ、結晶の組成の均一化（特に引出方向の均一化）が向上する。

本実施形態において、狭隘部３６ａ１とは、ダイ流路３６において、流路断面積がダイ流出口３８の開口面積よりも小さく、しかも、引出方向Ｚに沿って、それより上流側の開口面積と同等以下で、しかも、それより下流側の開口面積よりも小さい部分である。なお、狭隘部３６ａ１が、ダイ流路３６に沿って、２つ以上存在する場合には、ダイ流出口３８に最も近い狭隘部が、本実施形態の狭隘部３６ａ１となる。

たとえば本実施形態では、図２Ａ１に示すように、導入部３６ａが直胴部で構成してあることから、狭隘部３６ａ１は、導入部３６ａの途中、または貯留部流出口３２、または導入部３６ａと流路本体部３６ｂとの境界に形成される。

本実施形態では、流路本体部３６ｂには、引下方向Ｚに沿って、狭隘部３６ａ１からダイ流出口３８に向けて流路断面積が広がる末広がり部４０を有する。本実施形態では、末広がり部４０は、導入部３６ａの狭隘部３６ａ１からダイ流出口３８に向けて流路断面積が徐々に大きくなるテーパ状に形成してある。

引出方向Ｚに沿う導入部３６ａの長さＺ２は、好ましくは、０〜５ｍｍ、さらに好ましくは０．５〜２ｍｍである。直胴部で構成してある導入部３６ａが形成してあることで、貯留部２４に貯留してある融液がダイ流路３６を通過する流量を調整することがさらに容易になり、安定した速度でダイ流出口３８から融液を引き出すことができ、結晶の組成の均一化（引出方向の均一化）が向上する。

引出方向Ｚに沿う流路本体部３６ｂの長さＺ３は、たとえばダイ流路３６の全長Ｚ０（＝Ｚ２＋Ｚ３）との関係などで決定され、その比率（Ｚ３／Ｚ０）は、好ましくは０．１〜１、さらに好ましくは０．２〜０．８である。あるいは、引出方向Ｚに沿う流路本体部３６ｂの長さＺ３は、好ましくは、１〜５ｍｍ、さらに好ましくは１．５〜２．５ｍｍである。

引出方向Ｚに沿う流路本体部３６ｂの長さＺ３は、底壁２８の下面２８ａからのダイ部３４の下端面４２までの距離Ｚ１と同じでも異なっていてもよい。引出方向Ｚに沿う底壁２８の下面２８ａからのダイ部３４の下端面４２までの距離Ｚ１は、好ましくは、ダイ流出口３８から引き出される融液が底壁２８の下面２８ａには付着しないように決定され、たとえば１〜２ｍｍである。

図３Ａに示すように、ダイ部３４の下端面４２では、ダイ流出口３８の周りには、引出方向Ｚ（図２Ａ参照）に実質的に垂直で平坦な端周面４２ａが形成してある。ダイ部３４の下端面４２の外形とダイ流出口３８の外形との間に、端周面４２ａが形成される。

ダイ流出口３８の開口面積（引出方向Ｚに垂直な面積）Ｓ２と、端周面４２ａの面積（引出方向Ｚに垂直な面積）Ｓ３とＳ２の和との比（Ｓ２／（Ｓ２＋Ｓ３））は、好ましくは０．１０〜０．９５であり、さらに好ましくは０．５〜０．９５である。また、ダイ流出口３８の開口面積（Ｓ２）と、狭隘部３６ａ１の流路断面積（Ｓ１）との比率（Ｓ２／Ｓ１）は、好ましくは３〜３０００、さらに好ましくは１０〜２０００である。また、狭隘部３６ａ１の流路断面積（Ｓ１）は、本実施形態では、直胴部となる導入部３６ａの流路断面積と同じであり、ダイ流路３６のダイ流出口３８から引き出される融液の速度などを一定になるように決定され、好ましくは０．００８〜０．２ｍｍ^２ である。

なお、本実施形態では、ダイ部３４の下端面４２の外形が、得られる結晶体の横断面（引下方向Ｚに垂直な断面）形状に合わせて矩形であり、ダイ流出口３８の形状が円形であるが、これに限定されない。たとえばダイ部３４の下端面４２の外形は、得られる結晶体の断面形状に合わせて円形、多角形、楕円形、その他の形状にすることも可能であり、また、ダイ流出口３８の断面形状も、円形に限らず、多角形、楕円形、その他の形状にすることも可能である。また、導入部３６ａおよび流路本体３６ｂの断面形状も、円形に限らず、多角形、楕円形、その他の形状にすることも可能であり、導入部３６ａの断面形状と流路本体３６ｂの断面形状とは同じでも異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。

図１に示す本実施形態の坩堝４を有する結晶製造装置２は、μ−ＰＤ法などに好ましく用いられる。坩堝４の融液貯留部２４に投入される原料は、メインヒータ１０などで加熱されて、図２Ａに示す溶融液３０となり、ダイ部３４のダイ流路３６を通して、ダイ流出口３８から種結晶１４により引き出され、種結晶１４を引き下げることにより結晶を成長させて結晶体を得る。

次に、本実施形態の結晶製造装置２を用いる結晶の製造方法について簡単に説明する。本実施形態の結晶製造装置２では、まず、坩堝４の融液貯留部２４に、得ようとする結晶体の原料を入れ、主ヒータ１０を起動させ融液貯留部２４を加熱する。融液貯留部２４が加熱されることで原料は融液貯留部２４内で溶融し融液３０となり、ダイ部３４の貯留部流出口３２からダイ流路３６に流れる。融液３０は、導入部３６ａ、流路本体部３６ｂを経て、ダイ流出口３８で種結晶１４の上端に接触する。

その前後で、アフターヒータ―１６も起動され、ダイ部３４付近を加熱する。本実施形態の坩堝４を用いることで、ダイ流出口３８から種結晶１４により引き下げられる溶液の温度は、特に、引下方向Ｚに垂直な面で、略均一になる。

本実施形態に係る坩堝４を使用することにより、ダイ流出口３８から成長した結晶体中の組成（賦活剤含む）の濃度分布は、特に、引下方向Ｚに垂直な面で、略均一になる。また、引下方向Ｚに平行な面でも、略均一になる。本実施形態の装置２を用いて、たとえばＹＡＧ：Ｃｅを製造する場合には、Ｃｅのような賦活剤が均一に分散されたＹＡＧ：Ｃｅの結晶体を得ることができる。

すなわち、本実施形態では、坩堝４の融液貯留部２４から融液３０を、ダイ流路３６の導入部３６ａに具備してある狭隘部３６ａ１に通し、その後に、狭隘部３６ａ１からダイ流出口３８に向けて末広がり部４０を通し、ダイ流出口３８から融液を種結晶１４と共に引き下げる。このように構成することで、種結晶により引き出される融液の温度分布の均一化（特に融液の引出方向に垂直な面に沿っての均一化）と、得られる結晶の組成の均一化が向上する。

また、本実施形態では、導入部３６ａに狭隘部３６ａ１が形成してあることで、貯留部２６に貯留してある融液がダイ流路３６を通過する流量を調整することが容易になり、安定した速度でダイ流出口３８から融液を引き出して結晶化することができ、結晶の組成の均一化（引出方向の均一化）が向上する。

また本実施形態では、ダイ部３６の下端面４２で、ダイ流出口３８の周りには、融液３０が引き出される方向Ｚに実質的に垂直で平坦な端周面４２ａが具備してあるため、坩堝４を用いて得られる結晶体の外周面形状を容易に制御することができる。さらに本実施形態では、ダイ流出口３８の開口面積（Ｓ２）と、端周面４２ａの面積（Ｓ３）との比（Ｓ２／Ｓ３）が所定範囲に設定してあり、ダイ流出口３８の開口面積（Ｓ２）と、狭隘部３６ａ１の流路断面積（Ｓ１）との比率（Ｓ２／Ｓ１）も所定範囲に設定してある。このように構成することで、種結晶により引き出される融液の温度分布の均一化と、得られる結晶の組成の均一化が、さらに向上する。

第２実施形態
図２Ｂに示すように、本実施形態に係る結晶製造装置は、坩堝４ａのダイ部３４ａの構成が第１実施形態と異なるのみであり、共通する部分の説明は一部省略し、以下、異なる部分について詳細に説明する。以下において説明しない部分は、第１実施形態の説明と同様である。

本実施形態に係る坩堝４ａのダイ流路３６では、導入部３６ａに形成してある狭隘部３６ａ１からダイ流出口３８に向けて流路断面が広がる末広がり部４０ａの形状が、直線的に断面積が広がるテーパ形状では無く、凹状曲線的に断面積が広がる形状である。本実施形態の末広がり部４０ａは、ダイ流出口３８の近くでは、断面積が引き下げ方向Ｚに沿って略同一の直胴部を有していてもよいが、直胴部は、短い方が好ましい。なお、本実施形態では、末広がり部４０ａの形状は、凹状曲線的に断面積が広がる形状ではなく、凸状曲線的に、またはその他の曲線で断面積が広がる形状でもよい。

第３実施形態
図２Ｃに示すように、本実施形態に係る結晶製造装置は、坩堝４ｂのダイ部３４ｂの構成が第１実施形態または第２実施形態と異なるのみであり、共通する部分の説明は一部省略し、以下、異なる部分について詳細に説明する。以下において説明しない部分は、第１実施形態または第２実施形態の説明と同様である。

本実施形態に係る坩堝４ａのダイ流路３６では、流路本体部３６ｂに狭隘部４１ａが形成してある。流路本体部３６ｂに狭隘部４１ａが形成してある場合には、その狭隘部４１ａからダイ流出口３８に向けて流路断面が広がる末広がり部４０ｂが形成される。本実施形態では、流路本体部３６ｂに形成してある狭隘部４１ａと、導入部３６ａとの間には、導入部３６ａと狭隘部４１ａの双方よりも流路断面積が大きな中間広がり部が形成してあってもよい。

本実施形態の狭隘部４１ａは、上述した第１または第２実施形態の狭隘部３６ａ１に対応し、その流路断面積Ｓ１は、ダイ流出口３８の開口面積Ｓ２との関係で、同様な関係を有している。また、狭隘部４１ａからダイ流出口３８までの距離Ｚ３も、上述した第１または第２実施形態と同様な関係にある。

本実施形態の導入部３６ａの内径は、狭隘部４１ａの内径と同等以上であることが好ましいが、融液３０が通過可能であれば、小さくてもよい。本実施形態でも、導入部３６ａには、流路断面積がダイ流出口３８の開口面積よりも小さい部分が形成されてもよい。ただし、本実施形態において、種結晶１４により引き出される融液の温度分布の均一化に大きく寄与する部分は、ダイ流出口３８に向かう末広がり部４０ｂの起点となる狭隘部４１ａである。

第４実施形態
図２Ｄに示すように、本実施形態に係る結晶製造装置は、坩堝４ｃのダイ部３４ｃの構成が第１〜第３実施形態と異なるのみであり、共通する部分の説明は一部省略し、異なる部分について詳細に説明する。以下において説明しない部分は、第１〜第３実施形態の説明と同様である。

本実施形態に係る坩堝４ａのダイ部３４では、複数（たとえば２〜８）のダイ流路３６が形成してある。各ダイ流路３６が、第１〜第３実施形態のいずれかと同様な構成を有している。複数（たとえば２〜８）のダイ流路３６が、それぞれ同じ構成を有していることが好ましいが、異なっていてもよい。たとえば複数のダイ流路３６の内のいずれかが、第１実施形態のダイ流路３６と同じ構成であり、その他は、第２実施形態または第３実施形態のダイ流路３６と同じ構成であってもよい。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。たとえば本発明の坩堝および結晶製造装置を用いて製造される結晶としては、Ｍ元素がドープしてあるＹＡＧまたはＬｕＡＧの単結晶に限らず、Ａｌ_２ Ｏ_３ （サファイア）、ＧＡＧＧ（Ｇｄ_３ Ａｌ_２ Ｇａ_３ Ｏ_１２）、ＧＧＧ（Ｇｄ_３ Ｇａ_５ Ｏ_１２）、ＧＰＳ（Ｇｄ_２ Ｓｉ_２ Ｏ_７ ）などの単結晶が例示される。また、単結晶に限らず、ＹＡＧ−Ａｌ_２ Ｏ_３ 、ＬｕＡＧ−Ａｌ_２ Ｏ_３ などの共晶体でもよい。

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

実施例１
図１に示す結晶製造装置２を用い、Ｃｅ：ＹＡＧ（ＣｅがドープしてあるＹＡＧ）の単結晶から成る蛍光体を製造した。図２Ａに示す直胴部から成る導入部３６ａの内径は、０．４ｍｍであり、ダイ流出口３８の内径は、４ｍｍであった。また、図２Ａ１に示す導入部３６ａの長さＺ２は、０．５ｍｍであり、流路本体３６ｂの長さＺ３は、２ｍｍであった。

本実施例に係る結晶製造装置２を用いてダイ部３４のダイ流出口３８から融液を引き出した直後の融液（固液界面付近）の温度分布を図３Ｂに示す。Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３およびＴ４は、それぞれ、指し示す領域の温度を表しており、温度はＴ１が最も低く、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４と徐々に高くなっている。たとえば温度Ｔ１は、１９４５〜１９５３°Ｃであり、温度Ｔ２は、１９５３〜１９６１°Ｃであり、温度Ｔ３は、１９６５〜１９７３°Ｃであり、温度Ｔ４は、１９７３°Ｃ以上であった。温度分布の測定は、シミュレーション解析により行った。

図３Ａと図３Ｂとを比較して分かるように、ダイ流出口３８に対応する部分では、均一な温度Ｔ１およびＴ２となる部分の面積が大きい。本実施例１の結晶製造装置２で製造されたＣｅ：ＹＡＧの横断面におけるＣｅの濃度分布を図３Ｃに示す。図３Ｃにおいて、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４は、それぞれ、指し示す領域のＣｅの濃度（Ｙの原子％をβと定義し、Ｃｅの原子％をαと定義し、α×１００／（α＋β））を表しており、濃度はＣ１が最も低く、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４と徐々に高くなっている。本実施例では、濃度Ｃ１は、０．９４〜１．０７（１．００±０．０７）原子％、濃度Ｃ２は、１．０８〜１．２２原子％、濃度Ｃ３は、１．２３〜１．３７原子％、濃度Ｃ４は、１．３８原子％以上であった。また、濃度分布の測定は、ＬＡ（レーザアブレーション）−ＩＣＰマッピングにより行った。

図３Ｃに示すように、成長したＣｅ：ＹＡＧの結晶体の横断面におけるＣｅの濃度は、図３Ｂに示す温度分布に対応するように分布し、図３Ａに示すダイ流路３６の流出口３８に対応して、Ｃｅの濃度がＣ１と均一な領域の面積が大きく、その最も大きな均一濃度領域の大きさ（占有面積）は、得られる結晶体の横断面積の全体に比較して、約４３．４％であった。Ｃｅの濃度がＣ１と均一な領域は、結晶体の中央部に位置し、しかも円形に近い領域のため、比較的に断面積が大きく濃度が均一な領域のみから成る結晶体を得ることができる。

比較例１
下記に示す以外は、実施例１と同様にして、Ｃｅ：ＹＡＧの単結晶から成る蛍光体を製造した。図４および図５Ａに示す従来の坩堝４αを有する以外は、実施例１と同じ結晶製造装置を用い、実施例１と同様にしてＣｅ：ＹＡＧの単結晶から成る蛍光体を製造した。

図４に示すように、比較例１に用いた坩堝４αは、融液貯留部２４と、ダイ部３４αとを有し、融液貯留部２４の底壁２６の中央部には、５つの貯留部流出口３２が形成してあり、各貯留部流出口３２には、それぞれのダイ流路３６αを通して、５つのダイ流出口３８に各々連通している。５つの各ダイ流路３６αは、貯留部流出口３２からダイ流出口３８に向けて流路断面積が同一な直胴部で構成してあり、それぞれの内径は、実施例１の導入部３６ａの内径と同じであった。

比較例１に係る結晶製造装置を用いてダイ部３４αのダイ流出口３８から融液を引き出した直後の融液の温度分布を図５Ｂに示す。Ｔ１ａ、Ｔ２ａ、Ｔ３ａおよびＴ４ａは、それぞれ、指し示す領域の温度を表しており、温度はＴ１ａが最も低く、Ｔ２ａ、Ｔ３ａ、Ｔ４ａと徐々に高くなっている。たとえば温度Ｔ１ａは、１９７２〜１９７４°Ｃであり、温度Ｔ２ａは、１９７４〜１９７６°Ｃであり、温度Ｔ３ａは、１９７６〜１９７７°Ｃであり、温度Ｔ４ａは、１９７７°Ｃ以上であった。

比較例１の結晶製造装置で製造されたＣｅ：ＹＡＧの横断面におけるＣｅの濃度分布を図５Ｃに示す。図５Ｃにおいて、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４は、それぞれ、指し示す領域のＣｅの濃度を表しており、濃度はＣ１が最も低く、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４と徐々に高くなっている。濃度Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４の定義は、実施例１と同様である。

図５Ｃに示すように、Ｃｅの濃度がＣ１と均一な領域の大きさ（占有面積）は、得られる結晶体の横断面積の全体に比較して、約３０．２％であった。図５Ｃに示すように、Ｃｅの濃度がＣ１と均一な領域は、結晶体の中央部に位置するが、面積が狭いと共に、円形では無く、歪な形状を有するため、結晶体表面から発生する蛍光の量・色にバラつきが生じ、均質な発光状態を得難くなる。また、比較例１では、Ｃｅの濃度がＣ４と均一な領域の大きさ（占有面積）自体は、大きいが、周方向に分布がばらついており、こちらも結晶体表面から発生する蛍光の量・色にバラつきが生じる要因となるため、均質な発光状態を得難くなる。

２… 結晶製造装置
４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４α …坩堝
６… 耐火炉
８… 外ケーシング
１０… 主ヒータ
１２… 種結晶保持治具
１４… 種結晶
１６… アフターヒータ
１８，２０，２２… 観察窓
２４… 融液貯留部
２６… 側壁
２８… 底壁
２８ａ… 下面
３０… 融液
３２… 貯留部流出口
３４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４α… ダイ部
３６，３６α… ダイ流路
３６ａ… 導入部
３６ａ１… 狭隘部
３６ｂ… 流路本体部
３８… ダイ流出口
４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ… 末広がり部
４１… 内方凸部
４１ａ… 狭隘部
４２… 端面
４２ａ… 端周面

Claims (11)

1. 結晶の原料となる融液を溜める融液貯留部と、結晶の形状を制御するダイ部と、を有する坩堝であって、
   前記ダイ部は、前記融液貯留部の底面に具備してある貯留部流出口から、前記ダイ部の端面に具備してあるダイ流出口に向けて、前記融液を通すダイ流路を有し、
   前記ダイ流路は、流路断面積が前記ダイ流出口の開口面積よりも小さい狭隘部を有することを特徴とする坩堝。
2. 前記ダイ流路には、前記融液の引き下げ方向に沿って、前記狭隘部から前記ダイ流出口に向けて流路断面積が広がる末広がり部を有する請求項１に記載の坩堝。
3. 前記ダイ流路は、前記貯留部流出口が入口となる導入部と、前記導入部に連通する流路本体部とを有し、
   前記流路本体部の出口が前記ダイ流出口である請求項１または２に記載の坩堝。
4. 前記導入部が、前記融液の流れる方向に沿って流路断面積が略一定の直胴部からなる請求項３に記載の坩堝。
5. 前記導入部に、前記狭隘部が形成してある請求項３または４に記載の坩堝。
6. 前記流路本体部に前記狭隘部が形成してある請求項３または４に記載の坩堝。
7. 前記ダイ流出口の開口面積（Ｓ２）と、前記狭隘部の流路断面積（Ｓ１）との比率（Ｓ２／Ｓ１）が３〜３０００ である請求項１〜６のいずれかに記載の坩堝。
8. 前記ダイ部の端面で、前記ダイ流出口の周りには、前記融液が引き出される方向に実質的に垂直で平坦な端周面が具備してある請求項１〜７のいずれかに記載の坩堝。
9. 前記ダイ流出口の開口面積（Ｓ２）と、ダイ流出口の開口面積（Ｓ２）と前記端周面の面積（Ｓ３）の和との比（Ｓ２／（Ｓ２＋Ｓ３））が０．１０〜０．９５である請求項８に記載の坩堝。
10. イリジウム、レニウム、モリブデン、タンタル、タングステン、白金、または、これらの合金、あるいはカーボンからなる請求項１〜９のいずれかに記載の坩堝。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の坩堝を有する結晶製造装置。

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