JP2022146327A - MANUFACTURING METHOD OF FeGa ALLOY SINGLE CRYSTAL - Google Patents

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Abstract

To provide a manufacturing method of an FeGa alloy single crystal by a vertical Bridgman method, the manufacturing method being capable of preventing all seed crystals from melting in a crystal growth.SOLUTION: An FeGa alloy single crystal is manufactured by a vertical Bridgeman method using a growth furnace that includes a first growth furnace that is surrounded by a heat insulation material and includes a cylindrical heater, a second growth furnace that is located in a lower part of the first growth furnace in a vertical direction, is surrounded by the heat insulation material, and includes no heater, a heat insulation layer that has an opening part connecting the first growth furnace and the second growth furnace, and a crucible table that lifts/lowers a crucible through the opening part between the first growth furnace and the second growth furnace. The manufacturing method includes a seeding process where a seed crystal arranged in a lower part of a raw material in the crucible is lowered from the first growth furnace to the opening part, and the raw material molten by heating by the heater and the seed crystal are seeded. The opening part of the heat insulation layer has a cylindrical shape that satisfies a condition that a height/an opening area is 0.0035 or more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、鉄ガリウム合金(FeGa合金)単結晶の製造方法に関し、特に、融液を坩堝中で固化させる、垂直ブリッジマン法(Vertical Bridgman method、以下「VB法」と略記する場合がある)により形成された超磁歪特性を有するFeGa合金単結晶の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing an iron gallium alloy (FeGa alloy) single crystal, and in particular, to a vertical Bridgman method (hereinafter sometimes abbreviated as "VB method") in which a melt is solidified in a crucible. The present invention relates to a method for producing a FeGa alloy single crystal having giant magnetostrictive properties formed by

FeGa合金は、機械加工が可能であり、100~350ppm程度の大きな磁歪を示すため、磁歪式振動発電やアクチュエータ等に用いられる素材として好適であり、近年、注目されている。 The FeGa alloy can be machined and exhibits a large magnetostriction of about 100 to 350 ppm, so it is suitable as a material for magnetostrictive vibration power generation, actuators, and the like, and has been attracting attention in recent years.

さらに、FeGa合金は、結晶の特定方位に大きな磁気歪みを現出させることができるため、磁歪部材の磁歪を必要とする方向と結晶の磁気歪みが最大となる方位を一致させた単結晶の部材としての用途が最適であると考えられる。 Furthermore, since the FeGa alloy can produce a large magnetostriction in a specific crystal orientation, a single-crystal member in which the direction requiring magnetostriction of the magnetostrictive member and the orientation in which the crystal magnetostriction is maximized are aligned. It is considered that the use as is most suitable.

FeGa合金の多結晶の製造方法においては、粉末冶金法や、急冷凝固法(例えば、特許文献1)、液体急冷凝固法により製造した薄片状や粉末状の原料を加圧焼結して製造する方法(例えば、特許文献2)などが提案されている。しかし、これらの種々の製造方法は、いずれも部材内は単結晶にならず多結晶となり、部材内の全ての結晶方位を磁気歪みが最大となる方位に一致させることは不可能で、単結晶の部材より磁歪特性が劣る。 In the method for producing a polycrystal of an FeGa alloy, a flaky or powdery raw material produced by a powder metallurgy method, a rapid solidification method (for example, Patent Document 1), or a liquid rapid solidification method is sintered under pressure. A method (for example, Patent Document 2) has been proposed. However, in any of these various manufacturing methods, the inside of the member becomes polycrystalline instead of single crystal, and it is impossible to match all the crystal orientations in the member with the orientation that maximizes magnetostriction. The magnetostrictive property is inferior to that of the member of

一方で、単結晶の製造には、引き上げ法がある。例えば、特許文献3には、引き上げ法(チョクラルスキー法)による単結晶の育成方法が記載されている。しかしながら、この方法は、高周波誘導加熱方式により原料融解を行うため、電源コストが高くなる。また、装置構成が複雑であり、装置コストが高いため、引き上げ法では結果的に製造コストが高くなってしまう。 On the other hand, there is a pulling method for the production of single crystals. For example, Patent Document 3 describes a method for growing a single crystal by a pulling method (Czochralski method). However, in this method, the raw material is melted by a high-frequency induction heating system, which increases the power supply cost. In addition, the structure of the apparatus is complicated and the cost of the apparatus is high, so that the pull-up method results in high manufacturing costs.

特許第4053328号公報Japanese Patent No. 4053328 特許第4814085号公報Japanese Patent No. 4814085 特開2016-28831号公報JP 2016-28831 A

このように、特許文献1~3に記載の従来の方法では、FeGa合金の単結晶を廉価かつ大量に製造することは困難である。 Thus, with the conventional methods described in Patent Documents 1 to 3, it is difficult to mass-produce FeGa alloy single crystals at low cost.

これらと比較し、融液を坩堝中で固化させるVB法であれば、超磁歪特性を有するFeGa合金単結晶を廉価に製造することができる。VB法では、予めFeGa合金種結晶とFeGa混合原料を入れた坩堝を、ヒーターで加熱してFeGa混合原料を融解させたあと、一定の速度で坩堝を低下させて坩堝をヒーターから遠ざけることで融液を固化させてFeGa単結晶を育成し、常温となったらFeGa単結晶を取り出す。その後、FeGa合金単結晶を所望のサイズに切断加工し磁歪板を得る。つまり、育成したFeGa合金単結晶が大きいほど多くの磁歪板が得られる。 Compared to these methods, the VB method, in which the melt is solidified in a crucible, can produce a FeGa alloy single crystal having giant magnetostriction at a low cost. In the VB method, a crucible containing an FeGa alloy seed crystal and an FeGa mixed raw material is heated with a heater to melt the FeGa mixed raw material. The liquid is solidified to grow an FeGa single crystal, and when the temperature reaches room temperature, the FeGa single crystal is taken out. After that, the FeGa alloy single crystal is cut into a desired size to obtain a magnetostrictive plate. That is, the larger the grown FeGa alloy single crystal, the more magnetostrictive plates can be obtained.

しかしながら、VB法においては、種結晶の上部に鉄とガリウムの混合物を配置し、当該混合物を融解した後に、種結晶の結晶方位を引き継ぎながら融解物を種結晶側から固化する必要がある。FeGa合金は不一致溶融性結晶であり、状態図において固相線と液相線が一致せず、ガリウム含有量が原子量%で17~19%の場合には固相線と液相線との温度差が約70~80℃となる。 However, in the VB method, it is necessary to place a mixture of iron and gallium on top of the seed crystal, melt the mixture, and then solidify the melt from the seed crystal side while inheriting the crystal orientation of the seed crystal. FeGa alloys are inconsistent melting crystals, the solidus line and the liquidus line in the phase diagram do not match, and when the gallium content is 17 to 19% in terms of atomic weight, the temperature between the solidus line and the liquidus line is The difference is about 70-80°C.

そのため、VB法で大きいFeGa合金単結晶を育成しようとすると、融解物が種結晶をすべて融解してしまい、目的の結晶方位で単結晶を育成できない状態が発生することがあった。 Therefore, when trying to grow a large FeGa alloy single crystal by the VB method, the molten material melts all the seed crystals, resulting in a situation where the single crystal cannot be grown in the desired crystal orientation.

そこで本発明は、このような事情に鑑み、垂直ブリッジマン法によるFeGa合金単結晶の製造方法であって、結晶育成において種結晶すべてが融解することを防止することができるFeGa合金単結晶の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of such circumstances, the present invention provides a method for producing an FeGa alloy single crystal by the vertical Bridgman method, which is capable of preventing the entire seed crystal from melting during crystal growth. The purpose is to provide a method.

上記課題を解決するため、本発明のFeGa合金単結晶の製造方法は、断熱材に囲まれ、円筒状のヒーターを備える第1育成炉と、鉛直方向で前記第1育成炉の下部に位置し、断熱材に囲まれてヒーターを備えない第2育成炉と、前記第1育成炉と前記第2育成炉をつなぐ円筒状の開口部を有する断熱層と、前記開口部を介して、坩堝を前記第1育成炉と前記第2育成炉とを昇降させる坩堝台と、を備える育成炉を使用する垂直ブリッジマン法によるFeGa合金単結晶の製造方法であって、前記坩堝内で原料の下部に配された種結晶を前記第1育成炉から前記開口部へ下降させて、前記ヒーターにより加熱されて融解した前記原料と、前記種結晶をシーディングするシーディング工程を含み、前記断熱層の開口部は、高さ/開口断面積=0.0035以上の条件を満たす円筒状である。 In order to solve the above-mentioned problems, the method for producing an FeGa alloy single crystal of the present invention includes a first growth furnace surrounded by a heat insulating material and equipped with a cylindrical heater, and a furnace positioned vertically below the first growth furnace. a second growth furnace surrounded by a heat insulating material and not equipped with a heater; a heat insulation layer having a cylindrical opening connecting the first growth furnace and the second growth furnace; and a crucible through the opening. A method for producing a FeGa alloy single crystal by the vertical Bridgman method using a growth furnace comprising a crucible table for raising and lowering the first growth furnace and the second growth furnace, wherein a seeding step of lowering the arranged seed crystal from the first growth furnace to the opening and seeding the raw material heated and melted by the heater with the seed crystal; The part has a cylindrical shape that satisfies the condition of height/opening cross-sectional area=0.0035 or more.

前記シーディング工程では、前記坩堝内の温度を鉛直方向に下から上へ高くなるように、かつ当該坩堝内の温度勾配が2.5~5.5℃/mmの範囲内となるように調整してもよい。 In the seeding step, the temperature inside the crucible is adjusted so that it increases vertically from bottom to top, and the temperature gradient inside the crucible is within the range of 2.5 to 5.5° C./mm. You may

前記坩堝は、外寸が74mm角で高さが200mm、内寸が66mm角で高さが196mm、厚みが4mmであってもよい。 The crucible may have an outer dimension of 74 mm square, a height of 200 mm, an inner dimension of 66 mm square, a height of 196 mm, and a thickness of 4 mm.

本発明であれば、垂直ブリッジマン法によるFeGa合金単結晶の製造方法であって、結晶育成において種結晶すべてが融解することを防止することができるFeGa合金単結晶の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a FeGa alloy single crystal by the vertical Bridgman method, which is capable of preventing the entire seed crystal from melting during crystal growth. can.

鉄ガリウム合金の単結晶を育成する育成炉1000の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a growth furnace 1000 for growing a single crystal of an iron-gallium alloy; FIG. 断熱層300の概略図である。3 is a schematic diagram of a heat insulating layer 300; FIG. VB法によるFeGa合金単結晶の製造方法の各工程における単結晶育成用坩堝10と抵抗加熱ヒーター120の配置を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing the arrangement of a crucible 10 for single crystal growth and a resistance heater 120 in each step of a method for producing a FeGa alloy single crystal by the VB method; FIG. 単結晶育成用坩堝10の概略図である。1 is a schematic diagram of a single-crystal-growing crucible 10. FIG. 融液受け皿30の概略側面断面図である。3 is a schematic side cross-sectional view of a melt receiving tray 30; FIG.

以下、本発明の一実施形態にかかるFeGa合金単結晶の製造方法について、図面を参照しつつ、より具体的に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能である。 Hereinafter, a method for producing a FeGa alloy single crystal according to one embodiment of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following examples, and can be arbitrarily modified without departing from the gist of the present invention.

[単結晶育成装置]
本発明のFeGa合金単結晶の製造方法は、例えば図1に示す鉄ガリウム合金の単結晶を育成する育成炉1000を使用することができる。育成炉1000は、第1育成炉100、第2育成炉200、断熱層300、坩堝台400を備える。
[Single crystal growth device]
The FeGa alloy single crystal production method of the present invention can use, for example, a growth furnace 1000 for growing an iron-gallium alloy single crystal shown in FIG. The growing furnace 1000 includes a first growing furnace 100 , a second growing furnace 200 , a heat insulating layer 300 and a crucible base 400 .

〈第1育成炉100〉
第1育成炉100は、断熱材110に囲まれ、円筒状のヒーター120を備える。単結晶育成用坩堝10内に配されたFeGa合金の原料を溶解させ、その後シーディングを行うために用いられる炉である。
<First growth furnace 100>
The first growth furnace 100 is surrounded by a heat insulating material 110 and has a cylindrical heater 120 . This furnace is used to melt the raw material of the FeGa alloy placed in the crucible 10 for single crystal growth and then perform seeding.

(断熱材110)
断熱材110は第1育成炉100を円筒状に形成することができ、第1育成炉の内部に更にヒーター120が配され、ヒーター120の内側に単結晶育成用坩堝10を配する構成となっている。断熱材110の材質は、特に制限はなく、例えば、カーボン、窒化ホウ素(BN)、窒化ケイ素(Si)、ムライト(3Al・2SiO~2Al・SiO)およびアルミナ(Al)等が挙げられる。
(Insulation material 110)
The heat insulating material 110 can form the first growth furnace 100 in a cylindrical shape. ing. The material of the heat insulating material 110 is not particularly limited . Alumina ( Al2O3 ) etc. are mentioned.

(ヒーター120)
ヒーター120は、断熱材110の内側に配されており、カーボン製の抵抗加熱ヒーターを用いることができる。FeGa合金単結晶の育成時に、ヒーター120によりホットゾーンを形成することができる。ヒーター120としては、図3に示すように上段ヒーター120a、中段ヒーター120bおよび下段ヒーター120cとで構成されたヒーターを用いてもよい。これらのヒーター120a~120cへの投入電力をそれぞれ調整することにより、ヒーター120の内側にホットゾーンを形成することができ、また、ホットゾーン内の温度勾配をより厳密に制御することが可能となっている。例えば、第1育成炉100内の上部が高温、下部が低温となる温度分布を実現することが可能となっている。
(Heater 120)
The heater 120 is arranged inside the heat insulating material 110, and a resistance heating heater made of carbon can be used. A hot zone can be formed by the heater 120 during the growth of the FeGa alloy single crystal. As the heater 120, a heater composed of an upper heater 120a, a middle heater 120b and a lower heater 120c as shown in FIG. 3 may be used. By adjusting the electric power supplied to these heaters 120a to 120c, a hot zone can be formed inside the heater 120, and the temperature gradient in the hot zone can be controlled more strictly. ing. For example, it is possible to realize a temperature distribution in which the upper portion of the first growth furnace 100 is high temperature and the lower portion is low temperature.

〈第2育成炉200〉
第2育成炉200は、鉛直方向で第1育成炉100の下部に位置し、断熱材210に囲まれており、ヒーターは備えない炉である。シーディング後のFeGa合金の原料を冷却して固化させるために用いられる炉である。
<Second growth furnace 200>
The second growth furnace 200 is located vertically below the first growth furnace 100, is surrounded by a heat insulating material 210, and does not have a heater. This furnace is used to cool and solidify the FeGa alloy raw material after seeding.

(断熱材210)
断熱材210は第2育成炉200を円筒状に形成することができる。断熱材210の材質は、特に制限はなく、例えば、カーボン、窒化ホウ素(BN)、窒化ケイ素(Si)、ムライト(3Al・2SiO~2Al・SiO)およびアルミナ(Al)等が挙げられる。
(Insulation material 210)
The heat insulating material 210 can form the second growth furnace 200 into a cylindrical shape. The material of the heat insulating material 210 is not particularly limited . Alumina ( Al2O3 ) etc. are mentioned.

(電極220)
第2育成炉200には、ヒーター120に電流を加えるための電極220が配されている。ヒーター120はネジ130によって電極220に固定されている。電極220およびネジ130は例えばカーボン製のものを用いることができる。
(electrode 220)
An electrode 220 for applying current to the heater 120 is arranged in the second growth furnace 200 . Heater 120 is fixed to electrode 220 by screws 130 . Electrodes 220 and screws 130 can be made of carbon, for example.

〈断熱層300〉
断熱層300は、第1育成炉100と第2育成炉200をつなぐ円筒状の開口部310を有する(図1、2)。断熱層300は、鉛直方向で第1育成炉100と第2育成炉200の間に配され、開口部300の直径は円筒状の第1育成炉100および第2育成炉200の直径よりも小さく、単結晶育成用坩堝10を支持する支持台20を載せる融液受け皿30が若干の隙間を有して通過できる程度に開口している。このような狭い開口部310を有する断熱層300を第1育成炉100と第2育成炉200の間に配することで、単結晶育成用坩堝10を第1育成炉100から第2育成炉200へ移動させる際に、特に単結晶育成用坩堝10が開口部300を通過中に、ヒーター120により発せられた熱が第1育成炉100から第2育成炉200へ侵入することを抑制することができる。その結果として、第2育成炉200の内部温度の上昇を抑制できることで、シーディング後の種結晶が熱によって完全に融解してしまうことを防止できる。
<Heat insulation layer 300>
The heat insulating layer 300 has a cylindrical opening 310 connecting the first growing furnace 100 and the second growing furnace 200 (FIGS. 1 and 2). The heat insulating layer 300 is arranged vertically between the first and second growth furnaces 100 and 200, and the diameter of the opening 300 is smaller than the diameters of the cylindrical first and second growth furnaces 100 and 200. A melt receiving plate 30 on which a support base 20 for supporting the crucible 10 for single crystal growth is placed is opened to the extent that it can pass through with a slight gap. By arranging the heat insulating layer 300 having such a narrow opening 310 between the first growth furnace 100 and the second growth furnace 200, the single crystal growth crucible 10 is separated from the first growth furnace 100 to the second growth furnace 200. , especially while the crucible 10 for single crystal growth is passing through the opening 300, the heat generated by the heater 120 can be suppressed from entering the second growth furnace 200 from the first growth furnace 100. can. As a result, it is possible to suppress the rise in the internal temperature of the second growth furnace 200, thereby preventing the seed crystals after seeding from being completely melted by heat.

断熱層300の材質は、特に制限はなく、例えば、カーボン、窒化ホウ素(BN)、窒化ケイ素(Si)、ムライト(3Al・2SiO~2Al・SiO)およびアルミナ(Al)等が挙げられる。 The material of the heat insulating layer 300 is not particularly limited, and examples thereof include carbon, boron nitride ( BN), silicon nitride ( Si3N4 ) , mullite ( 3Al2O3.2SiO2 to 2Al2O3.SiO2 ) , and Alumina ( Al2O3 ) etc. are mentioned.

(開口部310)
図2は、断熱層300の概略図であり、図2(a)は断熱層300の平面図、図2(b)は断熱層300の側面断面図である。断熱層300の開口部310は、高さH/開口断面積=0.0035以上の条件を満たす円筒状である。開口断面積は、開口部の半径をrとすると、πrにより算出する。
(Opening 310)
2A and 2B are schematic diagrams of the heat insulating layer 300, FIG. 2A is a plan view of the heat insulating layer 300, and FIG. The opening 310 of the heat insulating layer 300 has a cylindrical shape that satisfies the condition of height H/opening cross-sectional area=0.0035 or more. The cross-sectional area of the opening is calculated by πr 2 , where r is the radius of the opening.

高さH/開口断面積=0.0035以上の条件を満たすことにより、単結晶育成用坩堝10を第1育成炉100から第2育成炉200へ移動させる際に、特に単結晶育成用坩堝10が開口部310を通過中に、ヒーター120により発せられた熱が第1育成炉100から第2育成炉200へ侵入することを抑制することができる。その結果として、第2育成炉200の内部温度の上昇を抑制できることで、シーディング後の種結晶が熱によって完全に融解してしまうことを防止できる。 By satisfying the condition of height H/opening cross-sectional area=0.0035 or more, when single crystal growth crucible 10 is moved from first growth furnace 100 to second growth furnace 200, single crystal growth crucible 10 It is possible to suppress the heat generated by the heater 120 from entering the second growth furnace 200 from the first growth furnace 100 while the heat is passing through the opening 310 . As a result, it is possible to suppress the rise in the internal temperature of the second growth furnace 200, thereby preventing the seed crystals after seeding from being completely melted by heat.

なお、高さH/開口断面積=0.0035未満の場合には、断熱層300の断熱効果が不十分となり、単結晶育成用坩堝10が開口部310を通過中に、ヒーター120により発せられた熱が第1育成炉100から第2育成炉200へ侵入することを十分に抑制することができず、シーディング後の種結晶が熱によって完全に融解してしまう場合がある。 If the height H/opening cross-sectional area is less than 0.0035, the heat insulating effect of the heat insulating layer 300 becomes insufficient, and the heat generated by the heater 120 while the crucible 10 for single crystal growth is passing through the opening 310. In some cases, it is not possible to sufficiently prevent the heat from entering the second growth furnace 200 from the first growth furnace 100, and the seed crystal after seeding is completely melted by the heat.

〈坩堝台400〉
坩堝台400は、開口部310を介して、単結晶育成用坩堝10を第1育成炉100と第2育成炉200とを昇降させることのできる台である。坩堝台400は、融液受け皿30を載せるステージ410と、ステージ410を昇降させるアーム420、アーム420を収納する収納ボックス430を備える。
<Crucible stand 400>
The crucible table 400 is a table on which the crucible 10 for single crystal growth can be moved up and down between the first growth furnace 100 and the second growth furnace 200 through the opening 310 . The crucible table 400 includes a stage 410 on which the melt tray 30 is placed, an arm 420 for raising and lowering the stage 410 , and a storage box 430 for storing the arm 420 .

坩堝台400が単結晶育成用坩堝10を第1育成炉100と第2育成炉200とを昇降させることで、ヒーター120を有する第1育成炉100でFeGa合金の原料を融解させ、種結晶とシーディングし、その後、ヒーターの無い第2育成炉200で原料を固化させてFeGa合金単結晶を育成することができる。 The crucible 400 raises and lowers the crucible 10 for single crystal growth between the first growth furnace 100 and the second growth furnace 200, thereby melting the raw material of the FeGa alloy in the first growth furnace 100 having the heater 120, and producing a seed crystal. After seeding, the raw material is solidified in the second growth furnace 200 without a heater to grow the FeGa alloy single crystal.

(他の構成)
育成炉1000は、上記の構成に加え、更なる構成を備えてもよい。例えば、単結晶育成用坩堝10の温度を測定して単結晶育成用坩堝10内の原料、種結晶、固化したFeGa合金単結晶の温度を把握することのできる熱電対15、育成炉1000内を真空雰囲気に調整することのできる真空ポンプ、育成炉1000を覆って炉内の雰囲気を維持することのできるチャンバー、アルゴンや窒素等の不活性ガスをチャンバー内へ導入することのできる不活性ガス導入手段等を備えることができる。
(other configurations)
The growth furnace 1000 may have a further configuration in addition to the configuration described above. For example, a thermocouple 15 capable of measuring the temperature of the crucible 10 for single crystal growth and grasping the temperature of the raw material, the seed crystal, and the solidified FeGa alloy single crystal in the crucible 10 for single crystal growth, and the inside of the growth furnace 1000. A vacuum pump capable of adjusting the vacuum atmosphere, a chamber capable of covering the growth furnace 1000 to maintain the atmosphere inside the furnace, and an inert gas introduction capable of introducing an inert gas such as argon or nitrogen into the chamber. Means and the like can be provided.

〈単結晶育成用坩堝10〉
単結晶育成用坩堝10の材質は、FeGa合金単結晶と化学的反応性が低く、高融点材料であるアルミナが好ましい。また、マグネシア、熱分解窒化ホウ素(Pyrolitic Boron Nitride)でもよい。また、上方側が開放された単結晶育成用坩堝10には、同じ材質の蓋を被せてもよい。
<Single crystal growth crucible 10>
The crucible 10 for single crystal growth is preferably made of alumina, which has low chemical reactivity with the FeGa alloy single crystal and has a high melting point. Also, magnesia and pyrolitic boron nitride may be used. Further, the crucible 10 for single crystal growth, which is open on the upper side, may be covered with a lid made of the same material.

単結晶育成用坩堝10内の下部に、FeGa合金種結晶16が充填され、このFeGa合金種結晶16の上に、鉄とガリウムの混合物17が充填される。 A FeGa alloy seed crystal 16 is filled in the lower portion of the crucible 10 for single crystal growth, and a mixture 17 of iron and gallium is filled on top of the FeGa alloy seed crystal 16 .

単結晶育成用坩堝10をVB法に用いて、鉄とガリウムの混合物の融解物17を単結晶育成用坩堝10中で固化させることで、FeGa合金単結晶を育成することができる。 A FeGa alloy single crystal can be grown by solidifying a melt 17 of a mixture of iron and gallium in the crucible 10 for single crystal growth in the VB method.

図4に単結晶育成用坩堝10の一例として概略図を示す。図4aは斜視図であり、図4bは断面図である。単結晶育成用坩堝10は、原料を投入する部分10a、種結晶を投入する部分10c、部分10aと部分10cをつなぐテーパー状の部分10bを備える。例えば、外寸W1が74mm角、内寸W2が66mmで坩堝の厚みは均一であり、高さH1が200mm、部分10aの高さH3が150mm、部分10aと部分10bの高さの合計H2が170mm、内寸高さH4が196mmの坩堝を使用することができる。 FIG. 4 shows a schematic diagram as an example of the crucible 10 for single crystal growth. 4a is a perspective view and FIG. 4b is a cross-sectional view. A crucible 10 for single crystal growth includes a portion 10a into which a raw material is charged, a portion 10c into which a seed crystal is charged, and a tapered portion 10b connecting the portions 10a and 10c. For example, the outer dimension W1 is 74 mm square, the inner dimension W2 is 66 mm, the thickness of the crucible is uniform, the height H1 is 200 mm, the height H3 of the portion 10a is 150 mm, and the total height H2 of the portions 10a and 10b is A crucible of 170 mm and an internal height H4 of 196 mm can be used.

(支持台20)
支持台20は、単結晶育成用坩堝10が倒れないように支持する台である。単結晶育成用坩堝10は底に向けて細くなって重心が高いために倒れやすいので、支持台20で支えることで単結晶育成用坩堝10が倒れないようにする。例えば、アルミナ製で円筒状の台を支持台20として用いることができる。
(Support table 20)
The support base 20 is a base for supporting the crucible 10 for single crystal growth so that it does not fall down. Since crucible 10 for single crystal growth tapers toward the bottom and has a high center of gravity, it tends to topple over. For example, a cylindrical table made of alumina can be used as the support table 20 .

(融液受け皿30)
融液受け皿30は、FeGa合金単結晶の原料の融解やシーディング、単結晶の育成中に単結晶育成用坩堝10が万が一破損してしまった場合に、坩堝から漏れた原料融液を受け止める役割を担う。
(Melt receiver 30)
The melt receiver 30 serves to receive the raw material melt that leaks from the crucible in the event that the single crystal growth crucible 10 should break during the melting and seeding of the raw material of the FeGa alloy single crystal and the growth of the single crystal. responsible for

例えば、図5の概略側面断面図に示すように、アルミナ製で底31と側壁32を備える皿を融液受け皿30として用いることができ、外寸の直径Rは108mmに設定することができる。 For example, as shown in the schematic cross-sectional side view of FIG. 5, a plate made of alumina and having a bottom 31 and side walls 32 can be used as the melt receiving plate 30, and the outer diameter R can be set to 108 mm.

また、融液受け皿30の直径Rと断熱層300の開口部310の直径との差を5mm~15mmに設定することができる。差がこの範囲内であれば、単結晶育成用坩堝10を第1育成炉100から第2育成炉200へ移動させる際に、特に単結晶育成用坩堝10が開口部310を通過中に、ヒーター120により発せられた熱が第1育成炉100から第2育成炉200へ侵入することを抑制することができる。その結果として、第2育成炉200の内部温度の上昇を抑制できることで、シーディング後の種結晶が熱によって完全に融解してしまうことを防止できる。 Also, the difference between the diameter R of the melt receiving tray 30 and the diameter of the opening 310 of the heat insulating layer 300 can be set to 5 mm to 15 mm. If the difference is within this range, heater It is possible to suppress the heat generated by 120 from entering the second growth furnace 200 from the first growth furnace 100 . As a result, it is possible to suppress the rise in the internal temperature of the second growth furnace 200, thereby preventing the seed crystals after seeding from being completely melted by heat.

[FeGa合金単結晶の製造方法]
次に、本発明の一実施形態にかかるFeGa合金単結晶の製造方法として、図1に示す育成炉1000を使用する製造方法について説明する。
[Method for producing FeGa alloy single crystal]
Next, a manufacturing method using the growth furnace 1000 shown in FIG. 1 will be described as a method for manufacturing an FeGa alloy single crystal according to one embodiment of the present invention.

超磁歪特性を有するFeGa合金単結晶は、例えば鉄とガリウムの融解物を坩堝中で固化させて育成することができ、本発明では、第1育成炉と、第2育成炉と、断熱層と、坩堝台と、を備える育成炉を使用し、VB法によりFeGa合金単結晶を育成する。なお、育成炉における断熱層の開口部は、高さ/開口断面積=0.0035以上の条件を満たす円筒状である。 A FeGa alloy single crystal having giant magnetostriction can be grown by solidifying a melt of iron and gallium in a crucible, for example. , a crucible stand, and a FeGa alloy single crystal is grown by the VB method. The opening of the heat insulating layer in the growth furnace has a cylindrical shape that satisfies the condition of height/opening cross-sectional area=0.0035 or more.

〈シーディング工程〉
本発明の製造方法は、単結晶育成用坩堝10内で原料(鉄とガリウムの混合物17)の下部に配されたFeGa合金種結晶16を第1育成炉100から開口部310へ下降させて、ヒーター120により加熱されて融解した原料と、FeGa合金種結晶16をシーディングするシーディング工程を含む。
<Seeding process>
In the manufacturing method of the present invention, the FeGa alloy seed crystal 16 placed under the raw material (the mixture 17 of iron and gallium) in the crucible 10 for single crystal growth is lowered from the first growth furnace 100 to the opening 310, A seeding step of seeding the raw material heated and melted by the heater 120 and the FeGa alloy seed crystal 16 is included.

本発明のFeGa合金単結晶の製造方法は、シーディング工程の他に、更なる工程を含んでもよい。以下、図3を参照しつつ、坩堝配置工程、融解工程、気泡除去工程、シーディング工程、育成工程の各工程について説明する。 The method for producing a FeGa alloy single crystal of the present invention may include additional steps in addition to the seeding step. Each step of the crucible placement step, the melting step, the bubble removal step, the seeding step, and the growing step will be described below with reference to FIG.

VB法では、まず、単結晶育成用坩堝10の下部に主面方位が<100>方位のFeGa合金種結晶16を配置する。そして、FeGa合金種結晶16の上には、原料である鉄とガリウムの混合物17を必要量配置し(図3(a)坩堝配置工程)、その後坩堝10に適宜蓋を被せる。 In the VB method, first, an FeGa alloy seed crystal 16 having a <100> principal plane orientation is arranged in the lower portion of the crucible 10 for single crystal growth. Then, a required amount of a mixture 17 of iron and gallium as raw materials is placed on the FeGa alloy seed crystal 16 (Fig. 3(a) crucible placement step), and then the crucible 10 is appropriately covered with a lid.

次に、育成炉1000内にアルゴンや窒素等の不活性ガスを流し、育成炉1000内を不活性雰囲気に調整する。窒化ガリウム等が生成するおそれがある場合には、アルゴンガスを導入することが好ましい。育成炉1000内が不活性雰囲気となった後、単結晶育成用坩堝10を囲むように配置された上段ヒーター120a、中段ヒーター120bおよび下段ヒーター120cを作動して、昇温し、鉄とガリウムの混合物17の融解を開始し、原料融液18とする(図3(b)融解工程)。 Next, an inert gas such as argon or nitrogen is flowed into the growth furnace 1000 to adjust the inside of the growth furnace 1000 to an inert atmosphere. If gallium nitride or the like is likely to be generated, it is preferable to introduce argon gas. After the inside of the growth furnace 1000 becomes an inert atmosphere, the upper heater 120a, the middle heater 120b, and the lower heater 120c, which are arranged so as to surround the crucible 10 for single crystal growth, are actuated to raise the temperature of iron and gallium. Melting of the mixture 17 is started to form a raw material melt 18 (Fig. 3(b) melting step).

鉄とガリウムの混合物17がほぼ融解して融解物となったら、真空ポンプを作動して、育成炉1000内を減圧し、融解物中の気泡を取り除く(気泡除去工程)。 When the mixture 17 of iron and gallium is almost melted to form a melt, the vacuum pump is operated to reduce the pressure in the growth furnace 1000 and remove bubbles in the melt (bubble removal step).

気泡除去工程後、育成炉1000内にアルゴンや窒素等の不活性ガスを流し、再び育成炉1000内を不活性雰囲気に調整した後、単結晶育成用坩堝10の内部でFeGa合金単結晶を育成する(図3(d)育成工程)。具体的には、ヒーター120を用いて、FeGa合金種結晶16および融解物(鉄とガリウムの混合物17)が収納され、蓋を被せられた単結晶育成用坩堝10を、高さ方向の上方の温度が高く、下方の温度が低い温度分布となるように加熱する。この状態で、育成炉1000内の温度を、FeGa合金種結晶16が高さ方向の上半分位まで融解する位置まで可動用ロッド13を可動させて坩堝10を上昇させてシーディングを行う(図3(c)シーディング工程)。 After the bubble removing step, an inert gas such as argon or nitrogen is flowed into the growth furnace 1000 to adjust the atmosphere inside the growth furnace 1000 again to an inert atmosphere, and then the FeGa alloy single crystal is grown inside the crucible 10 for single crystal growth. (FIG. 3(d) growth step). Specifically, using the heater 120, the FeGa alloy seed crystal 16 and the melt (mixture 17 of iron and gallium) are accommodated, and the single crystal growth crucible 10 covered with a lid is moved upward in the height direction. Heating is performed so that the temperature is high and the lower temperature is low. In this state, the temperature in the growth furnace 1000 is changed to a position where the FeGa alloy seed crystal 16 melts up to about half in the height direction, and the crucible 10 is raised by moving the movable rod 13 to perform seeding (Fig. 3(c) seeding step).

その後、そのまま育成炉1000内の温度勾配を維持しながら、単結晶育成用坩堝10の降下速度を1~10mm/時間の範囲で設定し、一定速度でアーム420を可動させ単結晶育成用坩堝10を下降させてFeGa合金単結晶16を育成し(図4(d)育成工程)、すべての融解物を固化させる。尚、単結晶育成用坩堝10の降下速度を1mm/時間以下に設定しても単結晶の育成が可能であるが、育成期間が長くなり生産性が落ちる。結晶組成の変化を抑えるために、単結晶育成用坩堝10の降下速度は5mm/時間以上とするのがよい。 Thereafter, while maintaining the temperature gradient in the growth furnace 1000, the lowering speed of the crucible 10 for single crystal growth is set within the range of 1 to 10 mm/hour, and the arm 420 is moved at a constant speed to move the crucible 10 for single crystal growth. is lowered to grow the FeGa alloy single crystal 16 (FIG. 4(d) growing step), and solidify all the melt. Although the single crystal can be grown even if the descent speed of the crucible 10 for single crystal growth is set to 1 mm/hour or less, the growing period becomes longer and the productivity drops. In order to suppress changes in the crystal composition, the descent rate of the single crystal growth crucible 10 is preferably 5 mm/hour or more.

坩堝10の下降が終了して単結晶の育成が終了した後(図3(e))、所定速度で冷却を行ってFeGa合金19を得る(冷却工程)。 After the descent of the crucible 10 is completed and the growth of the single crystal is completed (FIG. 3(e)), cooling is performed at a predetermined rate to obtain the FeGa alloy 19 (cooling step).

次に、育成炉1000内の温度が室温程度になったことを確認した後、育成された単結晶が入った単結晶育成用坩堝10を坩堝台400から取り外し、さらに蓋を取って単結晶育成用坩堝10から育成された単結晶を取り出す。 Next, after confirming that the temperature in the growth furnace 1000 has reached room temperature, the crucible 10 for single crystal growth containing the grown single crystal is removed from the crucible stand 400, and the lid is removed to grow the single crystal. A grown single crystal is taken out from the crucible 10 for use.

ここで、シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度を鉛直方向に下から上へ高くなるように、かつ単結晶育成用坩堝10内のシーディング時の温度勾配が、2.5~5.5℃/mmとなるよう、シーディング位置およびヒーター120の投入電力は調整されている。このような温度勾配とすることで、FeGa合金種結晶16が完全に融解することをより確実に防止できる。 Here, the temperature inside single-crystal-growing crucible 10 during seeding is increased vertically from the bottom to the top, and the temperature gradient during seeding inside single-crystal-growing crucible 10 is 2.5 to 2.5. The seeding position and the input power of the heater 120 are adjusted so as to obtain 5.5° C./mm. Such a temperature gradient can more reliably prevent the FeGa alloy seed crystal 16 from completely melting.

単結晶育成用坩堝10内の温度勾配が2.5℃/mm未満の場合、FeGa合金種結晶16が高温となって完全に融解してしまうおそれがある。一方で、ヒーター出力上昇による消費電力の増加、および融解物上面からのガリウム蒸気の発生を抑えるために、上記温度勾配を5.5℃/mm以下とする。また、温度勾配が6.5℃/mmとなるシーディング位置を調査しようとしたが、高温のため白金ロジウム製の熱電対50が温度測定中に断線したため、中断した。 If the temperature gradient in single crystal growth crucible 10 is less than 2.5° C./mm, FeGa alloy seed crystal 16 may reach a high temperature and be completely melted. On the other hand, the temperature gradient is set to 5.5° C./mm or less in order to suppress an increase in power consumption due to an increase in heater output and generation of gallium vapor from the upper surface of the melt. Further, an attempt was made to investigate the seeding position where the temperature gradient is 6.5° C./mm, but the thermocouple 50 made of platinum rhodium broke during temperature measurement due to the high temperature, so the investigation was discontinued.

本発明のFeGa合金単結晶の製造方法では、鉄ガリウム合金種結晶16がすべて融解することを防止できる。FeGa合金は不一致溶融性結晶のため、FeGa合金中のガリウム含有量が原子量%で18%の場合において、状態図上の固相線と液相線の温度差は約75℃となる。そのため、鉄ガリウム合金種結晶16を完全に融解させないためには、鉄ガリウム合金種結晶16の上下方向に75℃以上の温度差が必要になる。通常は、鉄ガリウム合金種結晶16の上下方向の長さを30mmにしているため、鉄ガリウム合金種結晶16を完全に融解させないためには、鉄ガリウム合金種結晶16の上下方向に75℃以上の温度差を設けるべく、単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を2.5℃/mm以上とする必要がある。 The FeGa alloy single crystal production method of the present invention can prevent the iron-gallium alloy seed crystal 16 from completely melting. Since the FeGa alloy has inconsistent melting crystals, the temperature difference between the solidus line and the liquidus line on the phase diagram is about 75° C. when the gallium content in the FeGa alloy is 18% in terms of atomic weight. Therefore, in order to prevent the iron-gallium alloy seed crystal 16 from completely melting, a temperature difference of 75° C. or more is required in the vertical direction of the iron-gallium alloy seed crystal 16 . Normally, the length of the iron-gallium alloy seed crystal 16 in the vertical direction is set to 30 mm. In order to provide a temperature difference of 2.5° C./mm or more, it is necessary to set the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth to 2.5° C./mm or more.

シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を高く設定することで、より広い範囲での単結晶育成用坩堝10の降下速度での単結晶育成が可能となる。しかし、シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を高く設定すると、ヒーター出力が高くなる。これに伴い、融解物の蒸発量が増え、断熱材110、ヒーター120、坩堝台400等に付着し、清掃が必要となる。融解物の蒸発量を抑えるために、単結晶育成用坩堝10に蓋を被せる方が好ましい。融解物の蒸発量は、シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を6.0℃/mm以上に設定した場合に、ヒーターの出力により激しくなる。よって、シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を5.5℃/mm以下とするのがよい。 By setting a high temperature gradient in single crystal-growing crucible 10 during seeding, it is possible to grow a single crystal at a lowering speed of single-crystal-growing crucible 10 in a wider range. However, if the temperature gradient inside the crucible 10 for single crystal growth during seeding is set high, the heater output will be high. As a result, the amount of melted material evaporated increases and adheres to the heat insulating material 110, the heater 120, the crucible base 400, etc., requiring cleaning. It is preferable to cover the crucible 10 for single crystal growth with a lid in order to suppress the evaporation amount of the melt. When the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth during seeding is set to 6.0° C./mm or more, the amount of evaporation of the melted material increases due to the output of the heater. Therefore, it is preferable to set the temperature gradient within the crucible 10 for single crystal growth during seeding to 5.5° C./mm or less.

以下、本発明について、実施例および比較例を挙げてさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1]
まず、室温20℃の環境下で、化学量論比で鉄とガリウムの比率が82:18になるように、すなわちガリウム含有量が原子量%で18.0%となるように、メディアン径が約1mmの粒状鉄原料(純度:99.9%)とガリウム原料(純度:99.99%)を秤量した。秤量したガリウム原料をテフロン(登録商標)容器に投入し、湯煎により融解した。さらに、融解したガリウム原料へ鉄原料を投入し、容器内で攪拌を行った後、室温まで冷却し、混合原料である鉄とガリウムの混合物17を作製した。
[Example 1]
First, under an environment of room temperature of 20° C., the median diameter is set to about 82:18 in the stoichiometric ratio of iron and gallium, that is, the gallium content is 18.0% in terms of atomic weight %. 1 mm granular iron raw material (purity: 99.9%) and gallium raw material (purity: 99.99%) were weighed. The weighed gallium raw material was placed in a Teflon (registered trademark) container and melted in a hot water bath. Further, the iron raw material was added to the molten gallium raw material, stirred in the vessel, and then cooled to room temperature to prepare a mixture 17 of iron and gallium, which is a mixed raw material.

そして、図4に示す外寸W1が74mm角、内寸W2が66mmで坩堝の厚みは均一であり、高さH1が200mm、部分10aの高さH3が150mm、部分10aと部分10bの高さの合計H2が170mm、内寸高さH4が196mmの緻密質アルミナ製の単結晶育成用坩堝10内の下部に、あらかじめガリウム含有量を調整したFeGa合金種結晶16(ガリウム含有量が原子量%で17%、直径5mmおよび長さ30mmの円柱形状)を充填し、かつ、当該FeGa合金種結晶16の上に鉄とガリウムの混合物17を充填した。このとき、FeGa合金種結晶16には、主面方位が<100>方位である結晶を使用した。 As shown in FIG. 4, the outer dimension W1 is 74 mm square, the inner dimension W2 is 66 mm, and the thickness of the crucible is uniform. A FeGa alloy seed crystal 16 having a gallium content adjusted in advance (the gallium content is atomic weight % 17%, cylindrical shape of 5 mm diameter and 30 mm length) was filled, and a mixture 17 of iron and gallium was filled on top of the FeGa alloy seed crystal 16 . At this time, as the FeGa alloy seed crystal 16, a crystal having a main plane orientation of <100> orientation was used.

次に、単結晶育成用坩堝10の開口部10dに、緻密質アルミナの焼結物製の蓋を被せた。そして、FeGa合金種結晶16と鉄とガリウムの混合物17が充填された単結晶育成用坩堝10を、図1に示すように、ステージ410に載置された融液受け皿30に配された支持台20に載せて、熱電対15の先端部を単結晶育成用坩堝10の側面に接触させた。融液受け皿30は、アルミナ製で底31と側壁32を備え、高さ90mm、外寸の直径Rは108mmのものを使用した。また、断熱材110、210および断熱層300はアルミナ製のものを使用した。 Next, the opening 10d of the crucible 10 for single crystal growth was covered with a lid made of sintered compact alumina. Then, as shown in FIG. 1, the crucible 10 for single crystal growth filled with the FeGa alloy seed crystal 16 and the mixture 17 of iron and gallium is placed on the support base arranged on the melt receiving tray 30 placed on the stage 410. 20 , and the tip of the thermocouple 15 was brought into contact with the side surface of the crucible 10 for single crystal growth. The melt receiver 30 is made of alumina, has a bottom 31 and side walls 32, has a height of 90 mm and an outer diameter R of 108 mm. Also, the heat insulating materials 110 and 210 and the heat insulating layer 300 are made of alumina.

図1に示す育成炉1000において、断熱層300としては、高さHが40mm、開口部310の半径が60mm、開口断面積が11300mm、高さH/開口断面積=0.0035の断熱層を用いた。 In the growth furnace 1000 shown in FIG. 1, the heat insulating layer 300 has a height H of 40 mm, a radius of the opening 310 of 60 mm, an opening cross-sectional area of 11300 mm 2 , and a heat insulating layer of height H/opening cross-sectional area=0.0035. was used.

次に、アーム420を駆動させてステージ410を第2育成炉200内の最下部にセットした。その後、育成炉1000内にアルゴンガスを導入し、育成炉1000内を大気圧のアルゴン雰囲気に調整した。また、カーボン製の抵抗加熱ヒーター120からなる上段ヒーター120a、中段ヒーター120bおよび下段ヒーター120cとしては、独立に制御可能なものを使用した。 Next, the arm 420 was driven to set the stage 410 at the bottom of the second growth furnace 200 . After that, argon gas was introduced into the growth furnace 1000 to adjust the inside of the growth furnace 1000 to an argon atmosphere of atmospheric pressure. As the upper heater 120a, the middle heater 120b, and the lower heater 120c made of carbon resistance heaters 120, heaters capable of being controlled independently were used.

そして、上段ヒーター120aの温度を1500℃、中段ヒーター120bの温度を1400℃、下段ヒーター120cの温度を1300℃の温度幅で設定し、育成炉1000内の昇温を行った。昇温が終了して育成炉1000内の温度が安定した後、アーム420を駆動させてステージ410を上昇させることにより、単結晶育成用坩堝10を緩やかな速度で第1育成炉100へ上昇させた。第1育成炉100内には上部の温度が高く、下部の温度が低い温度勾配がつくられているので、第1育成炉100の上部に移動するに従って単結晶育成用坩堝10内の温度が上昇し、鉄とガリウムの混合物17が融解してその融解物が形成された。 Then, the temperature in the growth furnace 1000 was raised by setting the temperature of the upper heater 120a to 1500° C., the temperature of the middle heater 120b to 1400° C., and the temperature of the lower heater 120c to 1300° C. After the temperature rise is completed and the temperature in the growth furnace 1000 is stabilized, the stage 410 is raised by driving the arm 420 to raise the crucible 10 for single crystal growth to the first growth furnace 100 at a moderate speed. rice field. A temperature gradient is created in the first growth furnace 100 in which the temperature in the upper part is high and the temperature in the lower part is low. Then the iron-gallium mixture 17 melted to form the melt.

なお、上段ヒーター120aの温度1500℃は、単結晶育成用坩堝10の温度勾配が2.5℃/mmになるように設定した。この時、中段ヒーター120bの温度を1400℃、下段ヒーター120cの温度を1300℃に設定し、単結晶育成用坩堝10の移動速度は、2mm/時間とした。FeGa組成はFeGa合金単結晶中のガリウム含有量が原子量%で18%であり、この場合のFeGa合金の固化温度が約1450℃であるので、熱電対15の先端の測定温度が1450℃となるときの単結晶育成用坩堝10の位置をシーディング位置とした。その結果、上段ヒーター12aの温度を1500℃とすればよいことがわかった。 The temperature of 1500° C. of the upper heater 120a was set so that the temperature gradient of the crucible 10 for single crystal growth was 2.5° C./mm. At this time, the temperature of the middle heater 120b was set at 1400° C., the temperature of the lower heater 120c was set at 1300° C., and the moving speed of the crucible 10 for single crystal growth was set at 2 mm/hour. In the FeGa composition, the gallium content in the FeGa alloy single crystal is 18% in terms of atomic weight %, and the solidification temperature of the FeGa alloy in this case is about 1450°C, so the temperature measured at the tip of the thermocouple 15 is 1450°C. The position of the crucible 10 for single crystal growth at that time was defined as the seeding position. As a result, it was found that the temperature of the upper heater 12a should be set to 1500.degree.

混合原料がほぼ融解して融解物となったら、育成炉1000内へのアルゴンガスの導入を抑え、真空ポンプを使用して350Paまで育成炉1000内を減圧し、そのまま、約30分間保持した。次に200Pa以下となるまで2.5Pa/分の勾配で60分かけて徐々に減圧し、融解物中の気泡を除去した(気泡除去工程)。気泡除去工程後、アルゴンガスの導入を再開し、育成炉1000内を1気圧の不活性雰囲気に調整した。 When the mixed raw material was almost melted and turned into a melt, the introduction of argon gas into the growth furnace 1000 was suppressed, and the pressure inside the growth furnace 1000 was reduced to 350 Pa using a vacuum pump, and the mixture was kept as it was for about 30 minutes. Next, the pressure was gradually reduced to 200 Pa or less at a gradient of 2.5 Pa/min over 60 minutes to remove bubbles in the melt (bubble removal step). After the bubble removal step, the introduction of argon gas was resumed, and the inside of the growth furnace 1000 was adjusted to an inert atmosphere of 1 atm.

上記融解物が形成された単結晶育成用坩堝10の位置する付近で、熱電対15の接触点位置の温度をモニターしながら、アーム420を駆動させて単結晶育成用坩堝10内の温度勾配2.5℃/mmに維持しつつ、単結晶育成用坩堝10をシーディング位置まで数mm上昇させて温度を安定させた。この工程を繰り返して、熱電対15の温度が安定した状態で1350~1400℃の範囲になるよう単結晶育成用坩堝10を上昇させた。単結晶育成用坩堝10を保持する位置が定まったら、3時間保持してシーディングを行った。シーディングを行った後、上段ヒーター120aの温度を1500℃、中段ヒーター120bの温度を1400℃、下段ヒーター120cの温度を1300℃に維持しつつ、アーム420を駆動させて単結晶育成用坩堝10の降下速度を2mm/時間として単結晶育成用坩堝10を降下させ、FeGa合金単結晶の育成を開始した。単結晶育成用坩堝10の降下距離が100mmとなった後、育成を終了した。 While monitoring the temperature at the contact point of the thermocouple 15 in the vicinity of the position of the single crystal growing crucible 10 where the melt is formed, the arm 420 is driven to create a temperature gradient 2 in the single crystal growing crucible 10 . While maintaining the temperature at 5° C./mm, the crucible 10 for single crystal growth was raised several mm to the seeding position to stabilize the temperature. By repeating this process, the crucible 10 for single crystal growth was raised so that the temperature of the thermocouple 15 was stabilized in the range of 1350 to 1400.degree. When the position to hold the crucible 10 for single crystal growth was determined, the crucible was held for 3 hours for seeding. After seeding, the temperature of the upper heater 120a is maintained at 1500° C., the temperature of the middle heater 120b is maintained at 1400° C., and the temperature of the lower heater 120c is maintained at 1300° C., and the arm 420 is driven to produce the crucible 10 for single crystal growth. The single crystal growth crucible 10 was lowered at a rate of 2 mm/hour to start the growth of the FeGa alloy single crystal. After the descent distance of crucible 10 for single crystal growth reached 100 mm, the growth was terminated.

実施例1において、原料の融解からシーディングまではヒーター120のある第1育成炉100に単結晶育成用坩堝10が配されており、シーディング後の単結晶育成は、原料融液18の上端位置(液面)が第1育成炉100の最下部付近まで移動した時に開始し、上端位置が断熱層300の開口部310の下端付近に移動した時に終了した。また、第1育成炉100から第2育成炉へ下降する際の坩堝の移動速度も、2mm/時間とした。 In Example 1, the crucible 10 for single crystal growth is arranged in the first growth furnace 100 having a heater 120 from the melting of the raw material to seeding, and the single crystal growth after seeding is performed at the upper end of the raw material melt 18 It started when the position (liquid level) moved to near the bottom of the first growth furnace 100 and ended when the upper end position moved to near the lower end of the opening 310 of the heat insulating layer 300 . The moving speed of the crucible when descending from the first growth furnace 100 to the second growth furnace was also set to 2 mm/hour.

上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したインゴットを取り出したところ、FeGa合金種結晶16の下端部には融解は見られず、FeGa合金種結晶16の全てが融解しなかったことから、正常にシーディングできたことを確認した。 After the growth of the single crystal was completed, the grown ingot was taken out from the crucible 10 for single crystal growth. Therefore, it was confirmed that the seeding was performed normally.

また、上記の工程を10回繰り返してインゴットを10本製造した。いずれの場合も上記と同様の結果となり、正常にシーディングできたことを確認した。 Also, the above steps were repeated 10 times to produce 10 ingots. In both cases, the same results as above were obtained, confirming that seeding was performed normally.

[比較例1]
図1に示す育成炉1000において、断熱層300としては、高さHが20mm、開口部310の半径が60mm、開口断面積が11300mm、高さH/開口断面積=0.0018の断熱層を用いた。これ以外は、実施例1と同様に鉄とガリウムの混合物17を作製し、単結晶の育成を行った。
[Comparative Example 1]
In the growth furnace 1000 shown in FIG. 1, the heat insulating layer 300 has a height H of 20 mm, a radius of the opening 310 of 60 mm, an opening cross-sectional area of 11300 mm 2 , and a heat insulating layer of height H/opening cross-sectional area=0.0018. was used. Except for this, a mixture 17 of iron and gallium was produced in the same manner as in Example 1, and a single crystal was grown.

上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したインゴットを取り出し、種結晶部分を切断して方位を確認したが、<100>方位から大きくずれており、種結晶が全て融解していた。 After the growth of the single crystal was completed, the grown ingot was taken out from the crucible 10 for single crystal growth, and the seed crystal portion was cut to confirm the orientation. was

また、上記の工程を10回繰り返してインゴットを10本製造したが、同様に種結晶が全て融解していた。 Also, the above steps were repeated 10 times to produce 10 ingots, but all the seed crystals were similarly melted.

実施例1および比較例1における断熱層300の開口部310の寸法およびFeGa合金種結晶16の完全融解の有無について、表1に示す。 Table 1 shows the dimensions of the opening 310 of the heat insulating layer 300 and the presence or absence of complete melting of the FeGa alloy seed crystal 16 in Example 1 and Comparative Example 1.

Figure 2022146327000002
Figure 2022146327000002

結果として、断熱層300の開口部310が、高さH/開口断面積=0.0035以上の条件を満たす円筒状であることで、FeGa合金種結晶16の全てが融解せず、正常にシーディングできた。 As a result, the opening 310 of the heat insulating layer 300 has a cylindrical shape that satisfies the condition of height H/opening cross-sectional area=0.0035 or more. I was able to ding.

[まとめ]
以上より、本発明であれば、垂直ブリッジマン法によるFeGa合金単結晶の製造方法であって、結晶育成において種結晶すべてが融解することを防止することができるFeGa合金単結晶の製造方法を提供できることは、明らかである。
[summary]
As described above, the present invention provides a method for producing a FeGa alloy single crystal by the vertical Bridgman method, which is capable of preventing the entire seed crystal from melting during crystal growth. Clearly it can be done.

10 単結晶育成用坩堝、10a 部分、10b 部分、10c 部分、
10d 開口部、15 熱電対、16 FeGa合金種結晶、
17 鉄とガリウムの混合物、18 原料融液、19 FeGa合金、
20 支持台、30 融液受け皿、31 底、32 側壁、100 第1育成炉、
110 断熱材、120 ヒーター、120a 上段ヒーター、
120b 中段ヒーター、120c 下段ヒーター、130 ネジ、
200 第2育成炉、210 断熱材、220 電極、300 断熱層、
310 開口部、400 坩堝台、410 ステージ、420 アーム、
430 収納ボックス、1000 育成炉、H 高さ、H1 高さ、
H2 高さの合計、H3 高さ、H4 内寸高さ、R 外寸の直径、W1 外寸、
W2 内寸
10 crucible for single crystal growth, 10a part, 10b part, 10c part,
10d opening, 15 thermocouple, 16 FeGa alloy seed crystal,
17 iron and gallium mixture, 18 raw material melt, 19 FeGa alloy,
20 support stand, 30 melt tray, 31 bottom, 32 side wall, 100 first growth furnace,
110 heat insulating material, 120 heater, 120a upper heater,
120b middle heater, 120c lower heater, 130 screw,
200 second growth furnace, 210 heat insulating material, 220 electrode, 300 heat insulating layer,
310 opening, 400 crucible base, 410 stage, 420 arm,
430 storage box, 1000 growth furnace, H height, H1 height,
H2 total height, H3 height, H4 inner height, R outer diameter, W1 outer dimension,
W2 inner dimension

Claims (3)

断熱材に囲まれ、円筒状のヒーターを備える第1育成炉と、
鉛直方向で前記第1育成炉の下部に位置し、断熱材に囲まれてヒーターを備えない第2育成炉と、
前記第1育成炉と前記第2育成炉をつなぐ円筒状の開口部を有する断熱層と、
前記開口部を介して、坩堝を前記第1育成炉と前記第2育成炉とを昇降させる坩堝台と、
を備える育成炉を使用する垂直ブリッジマン法によるFeGa合金単結晶の製造方法であって、
前記坩堝内で原料の下部に配された種結晶を前記第1育成炉から前記開口部へ下降させて、前記ヒーターにより加熱されて融解した前記原料と、前記種結晶をシーディングするシーディング工程を含み、
前記断熱層の開口部は、高さ/開口断面積=0.0035以上の条件を満たす円筒状である、FeGa合金単結晶の製造方法。
a first growth furnace surrounded by heat insulating material and equipped with a cylindrical heater;
a second growing furnace located vertically below the first growing furnace, surrounded by a heat insulating material and not equipped with a heater;
a heat insulating layer having a cylindrical opening connecting the first growth furnace and the second growth furnace;
a crucible stand for raising and lowering the crucible between the first growth furnace and the second growth furnace through the opening;
A method for producing a FeGa alloy single crystal by the vertical Bridgman method using a growth furnace comprising
A seeding step of lowering the seed crystal placed under the raw material in the crucible from the first growth furnace to the opening to seed the raw material heated and melted by the heater and the seed crystal. including
The method for producing a FeGa alloy single crystal, wherein the opening of the heat insulating layer has a cylindrical shape that satisfies the condition of height/opening cross-sectional area=0.0035 or more.
前記シーディング工程では、前記坩堝内の温度を鉛直方向に下から上へ高くなるように、かつ当該坩堝内の温度勾配が2.5~5.5℃/mmの範囲内となるように調整する、請求項1に記載のFeGa合金単結晶の製造方法。 In the seeding step, the temperature inside the crucible is adjusted so that it increases vertically from bottom to top, and the temperature gradient inside the crucible is within the range of 2.5 to 5.5° C./mm. The method for producing a FeGa alloy single crystal according to claim 1, wherein 前記坩堝は、外寸が74mm角で高さが200mm、内寸が66mm角で高さが196mm、厚みが4mmである、請求項1または2に記載のFeGa合金単結晶の製造方法。 3. The method for producing a FeGa alloy single crystal according to claim 1, wherein the crucible has an outer dimension of 74 mm square, a height of 200 mm, an inner dimension of 66 mm square, a height of 196 mm, and a thickness of 4 mm.
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