JP2021187690A - 坩堝形状修正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、Ｃｚ法で用いられる坩堝内の特定部位への局所的な変形を、効率的に精度よく修正が可能な坩堝修正方法を提供することを目的とする。【解決手段】金属製の円筒形坩堝の形状を修正する坩堝形状修正方法であって、坩堝の対称性を修正する第一の修正工程と、坩堝内径を拡げる修正を行う第二の修正工程と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、坩堝形状修正方法に関する。

従来から、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃；以下、「ＬＴ」と略称する。）単結晶およびニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃；以下、「ＬＮ」と略称する。）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。

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、産業的には主に上記Ｃｚ法によって育成されている。例えば、ＬＴ単結晶は、イリジウム（Ｉｒ）製ルツボを用い、窒素−酸素混合ガス雰囲気の高周波誘導加熱式電気炉（育成炉）中で育成されている。Ｃｚ法とは、Ｉｒ等金属製坩堝内の原料融液に種結晶となるＬＴ等の単結晶片を接触させ、該単結晶片を回転させながら上方に引き上げることにより種結晶と同一方位の単結晶を育成する方法である。育成された単結晶は、アニール、ポーリング工程を経た後、スライス、研磨工程によって厚さ数百ミクロン程度の単結晶基板に加工され、ＳＡＷフィルターの材料として用いられる。

Ｃｚ法に代表される引き上げ法によるＬＴ単結晶の育成では、一般的に高周波誘導加熱式の育成炉が用いられている。ＬＴ結晶の融点は１６５０℃と高温であることと、育成雰囲気に酸素が必要であること等から、育成に際してはイリジウム（Ｉｒ）製坩堝が用いられている。このＩｒ製坩堝自体がワークコイルで形成される高周波磁場によって誘導され、発熱体となる。Ｉｒ製坩堝の周囲には、断熱や温度分布の調整のためにアルミナやジルコニア製の耐火物筐体を配している。

Ｉｒ製坩堝は、育成を繰り返す毎に変形が進む。坩堝の変形は、非対称に起こるので、坩堝の変形が進行するに従って温度分布の軸対称性が悪化し、育成成功率が低下してしまう。変形が起こる理由は、主に坩堝内部にある単結晶原料融液による荷重と、ＬＴとＩｒの熱膨張率の差である。

単結晶原料融液の荷重による変形とは、ＬＴ結晶育成時は、坩堝はＬＴ結晶の融点１６５０℃以上になっており、低温時と比較すると軟化し、変形し易い状態となっている。そのため、坩堝内部にある単結晶原料融液による外側に向う応力によって、特に坩堝底部付近が膨らむ。この現象においては、原料融液量が最も多く、且つ坩堝の温度が最も高い、単結晶原料融解時に最も変形速度が大きくなる。

これに対して、ＬＴとＩｒとの熱膨張率の差による変形は、結晶育成終了後の冷却時に発生する。これは、以下の理由による。即ち、育成時には、熱膨張でＩｒ製坩堝の直径が室温時よりも大きくなっている。その状態で冷却に入ると、坩堝内に残った単結晶原料融液が融点１６５０℃以下となり固化する。その後、室温まで冷却されるが、固化したＬＴ原料とＩｒ製坩堝の熱膨張率を比較すると、Ｉｒ製坩堝の方が大きいために、Ｉｒ製坩堝は、内部で固化した原料の形状に沿うように変形してしまうからである。

上述したように、坩堝の変形が大きい場合、非対称に起こるので、坩堝の変形が進行するに従って温度分布の軸対称性が悪化し、育成成功率が低下してしまう。

そこで、この変形した坩堝を修正する方法が検討されている。例えば、特許文献１には、円筒坩堝内に円筒形部品内径とほぼ同等のポンチを圧入して修正するする方法が開示されている。特許文献２では、円筒形部品内径側と外径側より円筒形部品の形状に合わせた形状の金型を用いて修正する方法が開示されている。

特開２００３−１３６１３９号公報 特公平７−４６２７号公報

しかしながら、Ｃｚ法で用いられる坩堝の変形は、上述したように坩堝内の特定部位へ局所的に発生する。よって、変形した部分のみを修正することが有効である。このため、特許文献１のポンチを圧入する方法では、円筒形部品が比較的柔らかい銅等では有効でるが、高温度で使用されるＩｒ製坩堝等の金属材は難加工性の金属であり、特許文献１の方法では、Ｃｚ法で用いられる坩堝の修正は難しい。特許文献２の円筒形部品内径側と外径側より円筒形部品の形状に合わせた形状の金型を用いた方法では、難加工性の金属材でも修正可能であるが、形状毎に高価な金型を作製する必要がある。また、金型は坩堝の形状に合わせて作製するため、変形に応じた修正が困難である。

そこで、本発明は、Ｃｚ法で用いられる坩堝内の特定部位への局所的な変形を、効率的に精度よく修正が可能な坩堝修正方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る坩堝形状修正方法において、金属製の円筒形坩堝の形状を修正する坩堝形状修正方法であって、
坩堝の対称性を修正する第一の修正工程と、
坩堝内径を拡げる修正を行う第二の修正工程と、を有する。

本発明によれば、Ｃｚ法で用いられる坩堝内の特定部位へ局所的に発生する変形を、効率的に精度よく修正することができる。

高周波誘導加熱式単結晶育成装置の概略構成を示す断面図である。 坩堝の内径の測定方法を説明するための図である。 第一の修正工程の坩堝の対称性を修正する工程の一例を示した図である。 第二の修正工程の一例を示した図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。

はじめに、図１を参照して、本実施形態に係る坩堝形状修正方法を適用可能なＣｚ法による単結晶育成装置の構成例、および、単結晶育成方法の概要について説明する。本発明に係るＣｚ法を用いた単結晶育成装置は、大気中または酸素を含んだ不活性ガス雰囲気中で育成されるニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ_３（以下、「ＬＮ」と略称する場合がある）、タンタル酸リチウムＬｉＴａＯ_３（以下、「ＬＴ」と略称する場合がある）、イットリウムアルミニウムガーネットＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（以下、「ＹＡＧ」と略称する場合がある）などの酸化物単結晶の製造に用いる単結晶育成装置である。

図１は、高周波誘導加熱式単結晶育成装置の概略構成を示す断面図である。高周波誘導加熱式単結晶育成装置は、坩堝１０と、耐火物２０と、坩堝台３０と、ワークコイル４０と、引上げ軸５０と、ロードセル６０と、チャンバー７０と、高周波電源８０と、制御部９０を備える。

また、引上軸５０の下端には種結晶保持部５１が設けられ、種結晶１１０を保持している。また、坩堝１０内には原料融液１２０が貯留保持されている。

図１に示すように、高周波誘導加熱式単結晶育成装置は、チャンバー７０内に坩堝１０を配置する。坩堝１０は、耐火物２０を介して、坩堝台３０上に載置される。チャンバー７０内には、坩堝１０を囲むように耐火材２０が配置されている。坩堝１０を囲むようにワークコイル４０が配置され、ワークコイル４０が形成する高周波磁場によって坩堝１０の壁に渦電流が流れ、坩堝１０自体が発熱体となる。このように、高周波誘導加熱式単結晶育成装置では、ワークコイル４０によって形成される高周波磁場によりワークコイル４０内に設置されている坩堝１０の側壁に渦電流が発生し、その渦電流によって坩堝１０自体が発熱体となり、坩堝１０内にある原料の融解や結晶育成に必要な温度環境の形成を行う。

なお、ワークコイル４０の代わりに、抵抗加熱式ヒータで坩堝１０を加熱することも可能であり、本実施形態に係る坩堝形状修正方法は、いずれの加熱方式にも適用可能である。図１においては、高周波誘導加熱式単結晶育成装置の例を挙げて説明する。

チャンバー７０の上部には引上げ軸（シード棒）５０が回転可能かつ上下方向に移動可能に設けられている。引き上げ軸５０は、上方の引上げ軸駆動モータ５２により昇降可能に構成されている。また、引上げ軸（シード棒）５０の上端の先端部には、結晶重量を計測するためのロードセル６０が取り付けられている。引上げ軸（シード棒）５０の下端の先端部には、種結晶１１０を保持するための種結晶保持部５１が取り付けられている。そして、引上げ軸５０、引上げ軸駆動用モータ５２及びロードセル６０以外の構成要素を、チャンバー７０が覆っている。

また、結晶育成装置全体の動作を制御するための制御部９０と、高周波コイル４０及び単結晶育成装置全体に電力を供給するための電源８０がチャンバー７０の外部に設けられる。

Ｃｚ法では、坩堝１０内の単結晶の原料融液１２０の表面に種結晶１１０となる単結晶片を接触させ、種結晶１１０を引上げ軸（シード棒）５０により回転させながら上方に引上げることにより、種結晶１１０と同一方位の円筒状単結晶を育成する。

このように、本発明で形状修正する坩堝１０は、Ｃｚ法に使用される坩堝１０である。上述のように、これら坩堝１０は、高周波誘導加熱式電気炉や抵抗加熱式電気炉等で高温度の炉内に用いられる。例えば、Ｃｚ法でＳＡＷフィルターの材料となるＬＴ、ＬＮ等の酸化物単結晶を育成する場合、ＬＴ単結晶育成用には、イリジウム（Ｉｒ）製坩堝、ＬＮ単結晶育成用には、白金製坩堝が用いられている。また、これら坩堝の形状は、電気炉内で原料を融解し、原料融液１２０を貯留するため、側面が円筒状で円形形状底面を有する円筒形状である。坩堝１０は、一般に耐熱性を有するものであり、難加工材からなる。

結晶育成では、結晶育成後の坩堝内には、育成開始時のおよそ半分程度の原料融液１２０が残り、この坩堝１０内に残った原料（残留原料）は次の育成に使用され、引き上げた結晶重量に相当する原料をイリジウム坩堝に充填して原料を融解して原料融液１２０を生成し、繰り返し結晶育成が行われる。このように、坩堝１０内には固化した原料が常に同じ位置に残った状態で原料融解、冷却が繰り返し行われるため、図２に示すように坩堝内に残った原料表面付近の坩堝側壁は外側に膨らみ、原料表面より上方の坩堝側壁は内側にくびれる変形が生じる。

本発明では、この坩堝変形が均一になるように坩堝１０の形状を修正する。本発明の実施形態に係る坩堝形状修正方法は、坩堝１０の対称性を修正する第一の修正工程と、坩堝１０の内径を拡げる修正を行う第二の修正工程とを有し、２段階で修正することを特徴とする。以下、本実施形態に係る坩堝形状修正方法について詳細に説明する。

まず、修正する前に坩堝１０の変形状況を測定する。測定方法には特に限定はない。図２は、坩堝１０の内径の測定方法を説明するための図である。まず、事前に坩堝内径を測定する。測定器具はキャリパゲージなどを用いると良い。坩堝１０は対象性を保ったまま変形することは少ない。局所的に膨らんだりくびれたりして、坩堝１０の変形の仕方はさまざまである。このため、坩堝内径の測定は、測定箇所が多ければ多いほど真の値に近づくが、図２（ａ）に示すように、４５度ずつ角度を変えた４方向の内径を測定しても良い。なお、坩堝内径の測定は、複数個所であればよく、最低で直交する２か所で、多ければ多い程精度は高くなる。本実施形態では、４方向の内径を測定する例について説明する。

坩堝内径を測定する上下方向の位置については、坩堝１０の上端から坩堝底面までの範囲を測定する。測定間隔は特に限定はないが、連続で測定することが好ましい。キャリパゲージでは、例えば、鉛直方向において１０ｍｍ間隔で測定してもよい。

なお、坩堝１０の修正は、坩堝１０を拡げる方向に修正するため、坩堝１０が内側にくびれている部分を測定する必要がある。坩堝１０の変形で坩堝内側にくびれる変形は、坩堝内原料（残留原料）の固化部分（外側に張り出している円筒形に近い部分）より上側で発生するため、図２（ｂ）に示すように、坩堝１０の上端から坩堝内原料（残留原料）の固化部分までの範囲を測定してもよい。あるいは、坩堝内原料位置が一定である場合は、坩堝内原料（残留原料の）の固化部分より上側付近のくびれの大きい部分の位置を固定して測定してもよい。

図３は、第一の修正工程の坩堝の対称性を修正する工程の一例を示した図である。図３に示されるように、第一の修正工程の坩堝１０の対称性を修正する工程では、坩堝１０の修正は、坩堝１０の内側にくびれている部分を内側から半径方向外向きに加圧して形状を修正する。坩堝１０は、局所的に膨らんだりくびれたりして変形の仕方はさまざまである。前工程で坩堝１０の内径を測定したデータを基に、４方向のうちもっとも内径が小さい方向について、半径方向外向きに加圧し、外側に内径を増加させて坩堝形状を修正する。修正方法は、特に限定は無いが、例えば、坩堝１０の内側に半径方向外向きに加圧するアクチュエータを設け、坩堝内壁を外側に押圧することで坩堝１０の形状を修正してもよい。アクチュエータとしては、例えば、油圧シリンダー１５０を用いてもよい。なお、印加圧力は、Ｉｒ製坩堝の場合、坩堝１０の破断を防止するため印可圧力は５ＭＰａまでとすることが好ましい。その後、再度、内径を測定し、内径の最も小さい方向を上記方法で修正し、これを繰り返す。この時、内径が所定の均一な値になるように範囲を設定してもよい。所定の値は、４方向の内径の分散値や差としてもよい。例えば、分散値の場合、４方向の内径の分散値が２０ｍｍ^２になるように設定してもよい。この修正により局所的な変形を修正し対称性を改善する。

図４は、坩堝内径を拡げる修正を行う第二の修正工程の一例を示した図である。図４（ａ）は、第二の修正工程の上面図であり、図４（ｂ）は、第二の修正工程の断面図である。

第二の修正工程は、前工程で対称性が改善されている部分の内径を全体的に広げる工程である。この工程での修正方法は、前工程と同様、油圧シリンダー１５０等で坩堝内壁を押圧することで修正するが、本工程では、押圧する方向の坩堝外側には押さえ板１６０を設置する。押さえ板１６０は、坩堝１０の修正部分付近の坩堝１０の外壁に接触するように設置することが好ましい。押さえ板１６０を設置することで、坩堝１０の最大修正量を超えて修正しないようにする。坩堝１０の修正量は、坩堝１０の材質にもよるが、破断する伸び未満の量を目安に行うと良い。例えば、坩堝１０の材質がＩｒの場合、伸びは１％であり、修正量（４方向の内径の平均値の増加率）は内径の１％未満とすることが好ましい。具体的には、４方向の内径の平均値の増加率が０．５％を超えた時点で終了することで、坩堝１０の破断を防止することができる。４方向の内径の平均値の増加率が内径の１％未満になるように押さえ板１６０を設置する。坩堝１０の下側は膨らむ方向に変形しており、この部分に係らないように押さえ板１６０の高さを設定するとよい。

印加圧力は、Ｉｒ製坩堝の場合、押さえ板１６０を設置しているため、印可圧力は７ＭＰａまでとすることが好ましい。図４（ａ）に示されるように、押圧する方向は、内径が小さい方向から行い、４方向を満遍なく修正することで、均一に修正することが可能となる。

本実施例では、高周波誘導加熱式電気炉を用いＣｚ法でタンタル酸リチウム単結晶を繰り返し育成した坩堝で変形がある坩堝を使用して坩堝の修正を行った。この坩堝は、イリジウム（Ｉｒ）製坩堝で購入時大きさが内径φ２００ｍｍ、深さが２００ｍｍであった。

まず、修正する前に坩堝の変形状況を測定した。測定はキャリパゲージを用いて、図２に示すように、４方向の内径を坩堝の上端から坩堝内原料の固化部分まで１０ｍｍ間隔で測定した。この結果、坩堝上端より８０ｍｍの位置の坩堝内径が最も小さい値となった。この位置での４方向の分散値を計算した結果、４６．２ｍｍ^２であった。

次に、第一の修正工程である坩堝の対称性を修正した。坩堝内径が最も小さい値となった坩堝上端より８０ｍｍの位置の坩堝内に、油圧シリンダー等を配置し、坩堝の内側にくびれて部分を内側から５Ｍｐａで加圧して形状を修正した。その後、再度４方向の内径を測定し、最小の内径部を修正し、繰り返し実施し、４方向の分散値が０．４ｍｍ^２と対称性は改善した。

次に、第二の修正工程である坩堝内径を拡げる修正を行った。この工程では、坩堝上端より８０ｍｍの位置の坩堝外側に幅５０ｍｍの押さえ板を設置した。この時、４方向の坩堝内径の平均値に対し、１％増加になるように押さえ板の位置を調整した。次にこの押さえ板の方向に、坩堝内に油圧シリンダー等を配置し、坩堝の内側にくびれて部分を内側から７Ｍｐａで加圧して形状を修正した。これを４方向全ての方向で行い、均等に坩堝内側のくびれ部を拡げる修正を行った。この結果、内径の４方向の平均値増加率が修正前の内径の０．７１％になった所で坩堝の修正を完了した。

この坩堝を用いて結晶育成を行った結果、従来の比べ３２回延長して育成することが可能となり、坩堝のライフサイクルを延長することができた。

このように、本実施例によれば、坩堝の形状を修正することにより、坩堝のライフサイクルを延長することでき、コスト削減に寄与することが示された。

以上説明したように、本実施形態に係る坩堝形状修正方法によれば、Ｃｚ法で用いられる坩堝内の特定部位に局所的に発生する変形を、効率的に精度よく修正が可能となる。これにより、坩堝の変形により発生する温度分布の軸対称性が改善し、育成成功率が向上する。更に、坩堝を修正することで育成毎に変形する量が小さくすることができる。また、坩堝のライフサイクルを延長させることで、ランニングコストを下げる事が可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

１０ 坩堝
２０ 耐火物
３０ 坩堝台
４０ コイルヒータ
５０ 引上げ軸
５１ 種結晶保持部
５２ 引上げ軸駆動用モータ
６０ ロードセル
７０ チャンバー
８０ 高周波電源
９０ 制御部
１１０ 種結晶
１２０ 原料融液
１５０ 油圧シリンダー
１６０ 押さえ板

Claims (6)

1. 金属製の円筒形坩堝の形状を修正する坩堝形状修正方法であって、
   坩堝の対称性を修正する第一の修正工程と、
   坩堝の内径を拡げる修正を行う第二の修正工程と、を有する坩堝形状修正方法。
2. 前記第一の修正工程は、前記坩堝の内径を複数方向において測定し、
   測定した前記複数方向における前記内径が所定の値になるように、最小内径を拡げる修正を行う工程、を含む請求項１記載の坩堝形状修正方法。
3. 前記最小内径を拡げる工程は、前記坩堝内の前記最小内径に、半径方向外向きに加圧するアクチュエータを設けて行う請求項２に記載の坩堝形状修正方法。
4. 前記複数方向は、４５度ずつ角度を変えた４方向である請求項２又は３に記載の坩堝形状修正方法。
5. 前記第二の修正工程は、前記坩堝の外側を押さえ板で押さえた状態で前記坩堝の前記内径を拡げる修正を行う工程である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の坩堝形状修正方法。
6. 前記押さえ板は、前記坩堝が拡大しても破断しない量となるように位置が設定されている請求項５に記載の坩堝形状修正方法。

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