JP2023132267A - Apparatus and method for growing oxide single crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、引き上げ法によりタンタル酸リチウム等の酸化物単結晶を育成する育成装置と育成方法の改良に関する。 The present invention relates to improvements in a growth apparatus and method for growing oxide single crystals such as lithium tantalate by a pulling method.
酸化物単結晶の育成方法として、酸化物単結晶となる原料が充填された坩堝を高温に加熱して原料を熔融し、坩堝内の原料融液面に上方から種結晶を接触させた後、回転させながら上昇させることで種結晶と同一方位の酸化物単結晶を育成する引き上げ法(チョクラルスキー法とも称する)が広く利用されている。 As a method for growing an oxide single crystal, a crucible filled with raw materials to become an oxide single crystal is heated to a high temperature to melt the raw materials, and a seed crystal is brought into contact with the raw material melt surface in the crucible from above. A pulling method (also referred to as the Czochralski method) is widely used in which an oxide single crystal is grown in the same direction as the seed crystal by raising the crystal while rotating it.
引き上げ法による酸化物単結晶の育成装置においては、図7に示すように、坩堝100の側壁周囲に高周波誘導コイル101が配置されており、当該高周波誘導コイル101に高周波電流を流すことによって坩堝100に渦電流が生じ、これにより坩堝100が発熱して原料が熔融する。また、引き上げが進むにつれて酸化物単結晶の上部はシード棒(結晶引き上げ軸)102を伝わって冷却されるが、発熱体が坩堝100のみである場合、育成中における単結晶内の温度分布が大きくなるため、金属製のリング状リフレクタ103が坩堝100の開放端部に配置され、かつ、金属製のアフターヒータ104が坩堝100の上端部に配置されている。尚、図7中、符号105は種結晶、符号106は原料融液、符号107と符号108は断熱材、符号109はCP坩堝(多孔質アルミナ坩堝)、符号110は断熱性坩堝台をそれぞれ示す。
In the apparatus for growing an oxide single crystal using the pulling method, as shown in FIG. An eddy current is generated in the
ところで、近年、酸化物単結晶、特にタンタル酸リチウムは表面弾性波デバイス材料として市場が拡大しており、生産量の確保のため単結晶の引き上げ長さや径が次第に大きくなっている。この大型化に伴い、結晶育成に使用する坩堝は大型化している。 Incidentally, in recent years, the market for oxide single crystals, particularly lithium tantalate, as a surface acoustic wave device material has been expanding, and the pulled length and diameter of single crystals are gradually increasing in order to secure production volume. Along with this increase in size, crucibles used for crystal growth are also becoming larger.
また、坩堝は、高周波電流を流すため導電性であることを要し、更に、結晶原料を熔融するため高温に耐えられる高融点かつ酸化性雰囲気で劣化しない材料を用いる必要があり、結晶育成に使用する坩堝は、イリジウム、白金、ロジウム等の貴金属やその合金で作られることが多い。 In addition, the crucible must be conductive to allow high-frequency current to flow through it, and in order to melt the crystal raw material, it must be made of a material with a high melting point that can withstand high temperatures and that will not deteriorate in an oxidizing atmosphere. The crucible used is often made of noble metals such as iridium, platinum, rhodium, etc., or alloys thereof.
しかし、貴金属坩堝を用いて単結晶の育成を行うと、坩堝が変形するという問題があった。これは、図8(A)に示す円筒形の貴金属坩堝100が原料熔融時に図8(B)に示すように膨張し、冷却すると原料融液106の固化した部分が伸びて図8(C)に示すように変形するためで、貴金属坩堝と酸化物融液の膨張率が異なることに起因する。
However, when a single crystal is grown using a noble metal crucible, there is a problem in that the crucible is deformed. This is because the cylindrical
そこで、特許文献1においては、坩堝と同材質の貴金属にジルコニウム酸化物等が添加された材料から成る強化貴金属板を坩堝本体の外周部に密着させて補強した貴金属坩堝が提案され、特許文献2においては、坩堝周囲をアルミナ等の円筒成形断熱材で覆い、坩堝の変形を抑制した育成装置が提案されている。更に、特許文献3においては、坩堝側壁部の外周面にリング状フレームを嵌め込んで変形を防止した単結晶育成用坩堝が提案され、特許文献4においては、坩堝底面側の板厚を側面方向の板厚よりも薄くすることで底面側に変形を逃がす構造にしたイリジウム坩堝が提案されている。
Therefore, in
しかし、特許文献1~4で提案された何れの対策を講じても坩堝の変形を防止することが難しく、特に、大型酸化物単結晶の育成では坩堝の変形量が大きくなるため、より効果的な対策が求められていた。
However, even if any of the measures proposed in
原料融液の貯留保持手段として貴金属坩堝を利用するかぎり変形は抑えられないため、貴金属坩堝に代わる原料融液の貯留保持手段が必要となる。 As long as the noble metal crucible is used as a storage and holding means for the raw material melt, deformation cannot be suppressed, so a means for storing and holding the raw material melt in place of the noble metal crucible is required.
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、貴金属坩堝に代わる原料融液の貯留保持手段として原料融液と同材質の酸化物坩堝を用いた酸化物単結晶の育成装置と育成方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of these problems, and its object is to develop an oxidation method using an oxide crucible made of the same material as the raw material melt as a storage and holding means for the raw material melt in place of a precious metal crucible. An object of the present invention is to provide a growing device and method for growing single crystals.
すなわち、本発明に係る第1の発明は、
引上げ法により酸化物単結晶を育成する装置において、
上記結晶材料で構成されかつ原料融液を貯留保持可能な酸化物坩堝と、
上記酸化物坩堝の側壁周囲に設けられる高周波誘導コイルと、
上記酸化物坩堝内に組み込まれ、上記高周波誘導コイルにより誘導加熱されると共に、下端部が酸化物坩堝の内側底面に挿着される円筒状金属ヒータを備え、
かつ、上記高周波誘導コイルの下端部が上記円筒状金属ヒータの下端部より上側に位置していることを特徴とする。
That is, the first invention according to the present invention is
In an apparatus for growing oxide single crystals by the pulling method,
an oxide crucible made of the crystalline material and capable of storing and holding a raw material melt;
a high frequency induction coil provided around the side wall of the oxide crucible;
a cylindrical metal heater that is incorporated into the oxide crucible, is heated by induction by the high-frequency induction coil, and whose lower end is inserted into the inner bottom surface of the oxide crucible;
Further, the lower end of the high frequency induction coil is located above the lower end of the cylindrical metal heater.
また、本発明に係る第2の発明は、
第1の発明に記載の酸化物単結晶の育成装置において、
上記円筒状金属ヒータの下方側開放部が閉止され若しくは下方側開放部にリング状平坦部が形成されていることを特徴とし、
第3の発明は、
第1の発明または第2の発明に記載の酸化物単結晶の育成装置において、
上記酸化物単結晶が、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、イットリウムアルミニウムガーネット単結晶のいずれかであることを特徴とし、
第4の発明は、
第1の発明~第3の発明のいずれかに記載の酸化物単結晶の育成装置において、
上記円筒状金属ヒータが、白金、イリジウム、ロジウムのいずれか、または、これらの合金で構成されることを特徴とし、
第5の発明は、
第1の発明~第4の発明のいずれかに記載の酸化物単結晶の育成装置において、
上記酸化物坩堝の外側底面を覆うセラミック容器、または、酸化物坩堝の外側底面と側壁周囲を覆うセラミック坩堝を備えることを特徴とする。
Moreover, the second invention according to the present invention is
In the oxide single crystal growth apparatus according to the first invention,
The lower open part of the cylindrical metal heater is closed or a ring-shaped flat part is formed in the lower open part,
The third invention is
In the oxide single crystal growth apparatus according to the first invention or the second invention,
The oxide single crystal is any one of a lithium niobate single crystal, a lithium tantalate single crystal, and a yttrium aluminum garnet single crystal,
The fourth invention is
In the oxide single crystal growth apparatus according to any one of the first to third inventions,
The cylindrical metal heater is made of platinum, iridium, rhodium, or an alloy thereof,
The fifth invention is
In the oxide single crystal growth apparatus according to any one of the first to fourth inventions,
It is characterized by comprising a ceramic container that covers the outer bottom surface of the oxide crucible, or a ceramic crucible that covers the outer bottom surface and side walls of the oxide crucible.
次に、本発明に係る第6の発明は、
第1の発明に記載の育成装置を用いて酸化物単結晶を育成する方法において、
円筒状金属ヒータが組み込まれた酸化物坩堝内に結晶原料を投入し、かつ、高周波誘導コイルにより円筒状金属ヒータを誘導加熱して円筒状金属ヒータの内側に存在する結晶原料と円筒状金属ヒータの外側に存在する結晶原料を熔融させると共に、円筒状金属ヒータ内の原料融液面に種結晶を接触させて引き上げ法により酸化物単結晶を育成することを特徴とするものである。
Next, the sixth invention according to the present invention is:
In the method of growing an oxide single crystal using the growth apparatus according to the first invention,
A crystal raw material is put into an oxide crucible with a built-in cylindrical metal heater, and the cylindrical metal heater is heated by induction using a high-frequency induction coil to separate the crystal raw material existing inside the cylindrical metal heater and the cylindrical metal heater. This method is characterized by melting the crystal raw material existing outside the cylindrical metal heater, and growing an oxide single crystal by a pulling method by bringing a seed crystal into contact with the surface of the raw material melt inside a cylindrical metal heater.
本発明に係る酸化物単結晶の育成装置によれば、
高周波誘導コイルの下端部が円筒状金属ヒータの下端部より上側に位置して円筒状金属ヒータの上記下端部が誘導加熱され難い構造になっているため、円筒状金属ヒータの下端部を酸化物坩堝の内側底面に挿着させて上記円筒状金属ヒータを酸化物坩堝内に安定して固定することが可能となる。
According to the oxide single crystal growth apparatus according to the present invention,
The lower end of the high-frequency induction coil is located above the lower end of the cylindrical metal heater, making it difficult for the lower end of the cylindrical metal heater to be heated by induction. It becomes possible to stably fix the cylindrical metal heater in the oxide crucible by inserting it into the inner bottom surface of the crucible.
また、原料融液の貯留保持手段として原料融液と同材質の酸化物坩堝が適用されるため坩堝の変形を抑制することが可能となり、更に、酸化物坩堝の内側底面に挿着される上記下端部とその近傍を除いた部位の円筒状金属ヒータは誘導加熱されるため、酸化物単結晶の育成時、円筒状金属ヒータの内側に存在する原料融液と円筒状金属ヒータの外側に存在する原料融液により円筒状金属ヒータが挟まれた状態になり、円筒状金属ヒータの熱変形も抑制することが可能となる。 In addition, since an oxide crucible made of the same material as the raw material melt is used as a storage and holding means for the raw material melt, it is possible to suppress deformation of the crucible. The cylindrical metal heater except for the lower end and its vicinity is heated by induction, so when growing an oxide single crystal, the raw material melt present inside the cylindrical metal heater and the material melt present outside the cylindrical metal heater are heated by induction. The cylindrical metal heater is sandwiched between the raw material melt, and thermal deformation of the cylindrical metal heater can also be suppressed.
従って、結晶育成を繰り返し行っても、固定された円筒状金属ヒータの変動若しくは坩堝の変形等に起因する育成条件の変化を防止できるため、同品質の酸化物単結晶を繰り返し安定して育成することが可能となる効果を有する。 Therefore, even if crystal growth is repeated, it is possible to prevent changes in the growth conditions due to fluctuations in the fixed cylindrical metal heater or deformation of the crucible, so that oxide single crystals of the same quality can be repeatedly and stably grown. This has the effect of making it possible.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail using the drawings.
1.従来の育成装置と育成方法
(1)従来の育成装置とこの装置を用いた育成方法
従来の育成装置として、上述したように、チャンバ200(図7参照)内に、CP坩堝(多孔質アルミナ坩堝)109と、坩堝100と、断熱性坩堝台110と、リング状リフレクタ103と、アフターヒータ104と、断熱材107、108と、シード棒(結晶引き上げ軸)102と、高周波誘導コイル101を備える装置が知られている。そして、高温の結晶育成に使用される坩堝100としては、タングステンやタンタルのような高融点金属坩堝、白金、ロジウムやイリジウム等の貴金属坩堝、アルミナやマグネシア、カーボンやPBN(Pyrolytic Boron Nitride)のような非金属性坩堝が知られている。
1. Conventional growth device and growth method (1) Conventional growth device and growth method using this device As described above, the conventional growth device includes a CP crucible (porous alumina crucible) in the chamber 200 (see FIG. 7). ) 109, a
ところで、ニオブ酸リチウム(LiNbO3:以下、LNと略称する)、タンタル酸リチウム(LiTaO3:以下、LTと略称する)、イットリウムアルミニウムガーネット(Y3Al5O12:以下、YAGと略称する)等の酸化物単結晶を育成する場合、酸素を含んだ育成雰囲気にするため、酸化され易いタングステン、タンタル、カーボンは使用できない。同様に、アルミナ、マグネシアは酸化物融液と反応するため使用することができず、また、PBNは高価でかつ大型坩堝の作成が難しいという問題がある。 By the way, lithium niobate (LiNbO 3 : hereinafter abbreviated as LN), lithium tantalate (LiTaO 3 : hereinafter abbreviated as LT), yttrium aluminum garnet (Y 3 Al 5 O 12 : hereinafter abbreviated as YAG) When growing oxide single crystals such as oxides, the growth atmosphere contains oxygen, so tungsten, tantalum, and carbon, which are easily oxidized, cannot be used. Similarly, alumina and magnesia cannot be used because they react with the oxide melt, and PBN is expensive and difficult to prepare in large crucibles.
このため、酸化物単結晶を育成する場合、酸化されず、割れて原料融液が流出することのない、白金、ロジウム、イリジウム等の貴金属坩堝が使用されている。 For this reason, when growing oxide single crystals, crucibles of noble metals such as platinum, rhodium, and iridium are used, which are not oxidized and do not crack and cause the raw material melt to flow out.
(2)従来の課題
しかし、貴金属坩堝は、図8(A)~(C)に示すように原料熔融時に熱膨張し、原料融液の残渣が固化するときに酸化物と貴金属で熱膨張率が異なるため変形する。この変形に起因して、高周波誘導加熱の場合、発熱状態が変わるため育成条件が変化し、坩堝の変形が進むと単結晶が得られなくなる課題が存在した。
(2) Conventional issues However, as shown in Figures 8 (A) to (C), noble metal crucibles thermally expand when raw materials are melted, and when the residue of the raw material melt solidifies, the thermal expansion coefficient of the oxide and precious metal increases. are deformed because they are different. Due to this deformation, in the case of high-frequency induction heating, the heat generation state changes, so the growth conditions change, and as the crucible deforms, a single crystal cannot be obtained.
2.本発明の育成装置と育成方法
引き上げ法(チョクラルスキー法)を用いる本発明の育成装置は、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LN、LT、YAG等の酸化物単結晶の製造に用いる装置である。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種結晶と呼ばれる、通常、棒状に加工された単結晶先端を、同一組成の原料融液に浸潤し、回転させながら徐々に引上げることによって種結晶の方位と同一の単結晶を育成する方法である。
2. Growth apparatus and growth method of the present invention The growth apparatus of the present invention using the pulling method (Czochralski method) is capable of growing oxides such as LN, LT, and YAG in the air or in an inert gas atmosphere containing oxygen. This is a device used to manufacture single crystals. In the Czochralski method, the tip of a single crystal, called a seed crystal, cut out along a certain crystal orientation and usually processed into a rod shape, is soaked in a raw material melt of the same composition and gradually pulled up while rotating. This is a method of growing a single crystal with the same crystal orientation.
本発明者は、従来の課題を解決するため、変形する貴金属坩堝に代わる原料融液の貯留保持手段として、原料融液と同材質の酸化物坩堝を用いた酸化物単結晶の育成装置と育成方法を見出した。 In order to solve the conventional problems, the present inventor developed an oxide single crystal growth device and a growth device using an oxide crucible made of the same material as the raw material melt as a storage and holding means for the raw material melt in place of the deformable noble metal crucible. I found a way.
すなわち、本発明に係る育成装置は、図1に示すように、
酸化物結晶材料で構成されかつ原料融液10を貯留保持可能な酸化物坩堝1と、
酸化物坩堝1の側壁周囲に設けられる高周波誘導コイル2と、
酸化物坩堝1内に組み込まれ、上記高周波誘導コイル2により誘導加熱されると共に、下端部3aが酸化物坩堝1の内側底面1aに挿着される円筒状金属ヒータ3を備え、
かつ、高周波誘導コイル2の下端部2aが円筒状金属ヒータ3の下端部3aより上側に位置していることを特徴とするものである。
That is, the growing device according to the present invention, as shown in FIG.
An
a high frequency induction coil 2 provided around the side wall of the
A
Further, the
(1)第一実施形態に係る育成装置とこの装置を用いた育成方法
(1-1)第一実施形態に係る育成装置
第一実施形態に係る育成装置は、図2に示すように、底面側が支持台11で固定されかつ上記高周波誘導コイル2を除く本発明に係る育成装置(酸化物坩堝1と円筒状金属ヒータ3を備える)が収容されると共に上方側にシード棒(結晶引き上げ軸)20用の開口12を有する断熱性外筒13と、円筒状金属ヒータ3の上端部3bに載置されたリング状リフレクタ15と、このリング状リフレクタ15上に載置されたアフターヒータ16と、上記シード棒(結晶引き上げ軸)20の下端側に取り付けられた棒状の種結晶21とで主要部が構成されている。尚、図2中、符号4は酸化物坩堝1の外側底面1bを覆うセラミック容器を示す。
(1) Growing device according to the first embodiment and growing method using this device (1-1) Growing device according to the first embodiment The growing device according to the first embodiment has a bottom surface as shown in FIG. The side is fixed with a
(1-2)第一実施形態に係る育成方法
円筒状金属ヒータ3が組み込まれた酸化物坩堝1内に結晶原料を投入し、かつ、高周波誘導コイル2により円筒状金属ヒータ3を誘導加熱して円筒状金属ヒータ3の内側に存在する結晶原料と円筒状金属ヒータ3の外側に存在する結晶原料を熔融させる。
(1-2) Growth method according to the first embodiment A crystal raw material is introduced into an
次いで、円筒状金属ヒータ3内の原料融液10面に種結晶21を接触させた後、シード棒(結晶引き上げ軸)20を回転させながら上昇させて酸化物単結晶30を育成する。
Next, after bringing the
(1-3)第一実施形態の効果
第一実施形態に係る育成装置によれば、高周波誘導コイル2の下端部2aが円筒状金属ヒータ3の下端部3aより上側に位置して円筒状金属ヒータ3の下端部3aが誘導加熱され難い構造になっているため、円筒状金属ヒータ3の下端部3aを酸化物坩堝1の内側底面1aに挿着させて円筒状金属ヒータ3を酸化物坩堝1内に安定して固定させることができる。
(1-3) Effects of the first embodiment According to the growth device according to the first embodiment, the
そして、原料融液の貯留保持手段として原料融液と同材質の酸化物坩堝1が適用されるため坩堝の変形を抑制することが可能となり、更に、酸化物坩堝1の内側底面1aに挿着される上記下端部3aとその近傍を除いた部位の円筒状金属ヒータ3は誘導加熱されるため、酸化物単結晶の育成時、円筒状金属ヒータ3の内側に存在する原料融液10と円筒状金属ヒータ3の外側に存在する原料融液10により円筒状金属ヒータ3が挟まれた状態になり円筒状金属ヒータ3の熱変形も抑制することが可能となる。
Since the
従って、結晶育成を繰り返し行っても、固定された円筒状金属ヒータ3の変動若しくは坩堝の変形等に起因する育成条件の変化を防止できるため、同品質の酸化物単結晶を繰り返し安定して育成することが可能となる効果を有している。
Therefore, even if crystal growth is repeated, changes in the growth conditions due to fluctuations in the fixed
(1-4)第一実施形態の変形例に係る育成装置
第一実施形態の変形例に係る育成装置は、図3に示すように、円筒状金属ヒータ3の下方側開放部にリング状平坦部3cが形成されている点を除き図2に示した第一実施形態に係る育成装置と同一である。
(1-4) Growth device according to a modification of the first embodiment As shown in FIG. This is the same as the growing device according to the first embodiment shown in FIG. 2 except that a
そして、この変形例に係る育成装置によれば、リング状平坦部3cの作用により円筒状金属ヒータ3が自立し易くなり、酸化物坩堝1内に円筒状金属ヒータ3を固定させる際の作業が容易になるため、酸化物坩堝1内に円筒状金属ヒータ3をより安定して固定させることが可能となる。
According to the growth device according to this modification, the
尚、円筒状金属ヒータ3の下方側開放部にリング状平坦部3cを形成する上記構造に代えて、円筒状金属ヒータ3の下方側開放部が閉止されて円筒状金属ヒータ3をカップ形状にした場合、円筒状金属ヒータ3がより自立し易くなるため、酸化物坩堝1内に円筒状金属ヒータ3を固定させる作業が更に容易になる利点を有する。
Incidentally, instead of the above structure in which the ring-shaped
(2)第二実施形態に係る育成装置とこの育成装置の製造法
(2-1)第二実施形態に係る育成装置
第二実施形態に係る育成装置は、図6に示すように、底面側が支持台11で固定されかつ上記高周波誘導コイル2を除く本発明に係る育成装置(酸化物坩堝1と円筒状金属ヒータ3を備える)が収容されると共に上方側にシード棒(結晶引き上げ軸)20用の開口12を有する断熱性外筒13と、円筒状金属ヒータ3の上端部3bに載置されたリング状リフレクタ15と、このリング状リフレクタ15上に載置されたアフターヒータ16と、上記シード棒(結晶引き上げ軸)20の下端側に取り付けられた棒状の種結晶21とで主要部が構成されている。尚、図6中、符号40は酸化物坩堝1の外側底面1bと側壁周囲を覆うセラミック容器(CP坩堝)を示す。
(2) Growing device according to second embodiment and manufacturing method of this growing device (2-1) Growing device according to second embodiment As shown in FIG. 6, the growing device according to the second embodiment has a bottom side. The growth apparatus according to the present invention (comprising an
そして、この育成装置を用いて第一実施形態に係る育成方法と同様に酸化物単結晶を育成することができ、かつ、第一実施形態に係る育成方法と同様に同品質の酸化物単結晶を繰り返し安定して育成できる効果を有する。 Using this growth apparatus, an oxide single crystal can be grown in the same manner as in the growth method according to the first embodiment, and the oxide single crystal has the same quality as in the growth method in the first embodiment. It has the effect of being able to grow repeatedly and stably.
(2-2)第二実施形態に係る育成装置の製造法
第二実施形態に係る育成装置は、例えば、以下のようにして製造することができる。
(2-2) Method of manufacturing the growth device according to the second embodiment The growth device according to the second embodiment can be manufactured, for example, as follows.
まず、図4に示すように断熱性外筒13内に組み込まれたセラミック坩堝(CP坩堝)40内に、その上方側空間部41を残して結晶材料10aを投入する。尚、結晶材料10aとしては結晶材料粉あるいは結晶材料塊が例示される。
First, as shown in FIG. 4, a
次いで、下方側開放部にリング状平坦部3cが形成された円筒状金属ヒータ3をセラミック坩堝(CP坩堝)40の上方側空間部41に組み込み、かつ、円筒状金属ヒータ3の下端部3aをセラミック坩堝(CP坩堝)40の結晶材料10a上に載置する。
Next, the
そして、図5に示すように円筒状金属ヒータ3が組み込まれたセラミック坩堝(CP坩堝)40の上方側空間部41に結晶材料10aを投入し、円筒状金属ヒータ3の内部とセラミック坩堝(CP坩堝)40の上方側空間部41に結晶材料10aを充填する。
Then, as shown in FIG. 5, the
次いで、図6に示すように円筒状金属ヒータ3の上端部3bにリング状リフレクタ15を載置し、かつ、リング状リフレクタ15上にアフターヒータ16を載置する。
Next, as shown in FIG. 6, a ring-shaped
そして、セラミック坩堝(CP坩堝)40の側壁周囲に設けられた高周波誘導コイル2により円筒状金属ヒータ3を誘導加熱し、円筒状金属ヒータ3内の結晶材料10aおよび円筒状金属ヒータ3側壁近傍の結晶材料10aを熔融させて原料融液10とし、かつ、円筒状金属ヒータ3側壁から離れた部位の結晶材料10a間に原料融液10を流入させて連続した酸化物層1cを形成し、該酸化物層1cを内表面に有しかつ原料融液10を貯留保持可能な酸化物坩堝1を形成して第二実施形態に係る育成装置を製造することができる。
Then, the
尚、第一実施形態に係る育成装置においては、図2に示すように酸化物坩堝1の外側底面1bを覆うセラミック容器4が使用され、上記セラミック坩堝(CP坩堝)40を用いた製造法により育成装置を製造することができない。このような場合、結晶材料粉あるいは結晶材料塊を用いて図2に示すような酸化物坩堝の形状に加圧成形し、該成形体の底面側に上記セラミック容器4を組み込んだ構造体を上記断熱性外筒13内に収容した後、上記製造法を応用して第一実施形態に係る育成装置を製造することは可能である。このとき、加圧成形される坩堝の壁厚を大きく設定しておき、円筒状金属ヒータ3を誘導加熱した際に壁全体が熔融されないようにすることを要する。
In addition, in the growth apparatus according to the first embodiment, as shown in FIG. 2, a
(3)酸化物坩堝を構成する結晶材料
上記酸化物層1cを内表面に有しかつ結晶材料で構成される酸化物坩堝1について、坩堝全体が一つの結晶で構成される必要はない。焼結体や多結晶体で坩堝全体が構成されることが好ましいが一部粉末の状態であってもよい。尚、酸化物坩堝の一部が粉末状態である場合、粉末を保持する上述のセラミック容器を設けることが望ましい。尚、酸化物坩堝1の酸化物層1cから離れている結晶材料の未熔融部分は、図7に示した従来の育成装置における断熱材108や断熱性坩堝台110と同様に機能する。
(3) Crystal material constituting the oxide crucible Regarding the
また、酸化物坩堝1の外側底面1bを覆う上記セラミック容器、または、酸化物坩堝1の外側底面1bと側壁周囲を覆うセラミック坩堝を構成する材料としては、アルミナやジルコニア、マグネシア、カルシア等の焼結体耐火物が好ましい。
The ceramic container that covers the outer
(4)金属ヒータ
上記金属ヒータの形状は高周波誘導加熱が可能であれば任意であるが、チョクラルスキー法で良質な結晶を育成する場合、原料融液がシード(種結晶)に対し回転対称性を持つことが望ましい。このため、金属ヒータも回転対称の形状を持つことが好ましく円筒状であることを要する。
(4) Metal heater The shape of the metal heater mentioned above can be arbitrary as long as high-frequency induction heating is possible, but when growing high-quality crystals using the Czochralski method, the raw material melt is rotationally symmetrical with respect to the seed (seed crystal). It is desirable to have sex. For this reason, it is preferable that the metal heater also have a rotationally symmetrical shape, and it is required that the metal heater has a cylindrical shape.
また、金属ヒータは、酸素を含む雰囲気で酸化されず、高周波加熱が可能な割れない材料で構成することが好ましく、具体的には、白金、イリジウム、ロジウムの単体またはこれらの合金で構成することが望ましい。 In addition, the metal heater is preferably made of an unbreakable material that does not oxidize in an oxygen-containing atmosphere and is capable of high-frequency heating. Specifically, it is preferably made of platinum, iridium, rhodium alone or an alloy thereof. is desirable.
ところで、円筒状金属ヒータの固定法としては、上記断熱性外筒13の内壁面にヒータ固定用棒材を付設し、円筒状金属ヒータの上端近傍に孔部を設け、この孔部に上記ヒータ固定用棒材を挿通させて支持する方法が考えられる。
By the way, as a method for fixing the cylindrical metal heater, a rod for fixing the heater is attached to the inner wall surface of the heat insulating
しかし、大型結晶の育成用に金属ヒータが大型化すると、その分、重量も大きくなるため、育成中の高温条件下で円筒状金属ヒータの孔部が熱変形し、円筒状金属ヒータを安定して固定させることが難しくなる問題が懸念される。 However, as the size of the metal heater increases for growing large crystals, the weight also increases, so the hole of the cylindrical metal heater becomes thermally deformed under the high temperature conditions during growth, making it difficult to stabilize the cylindrical metal heater. There is a concern that it will be difficult to secure the device in place.
一方、本発明では、円筒状金属ヒータの下端部を酸化物坩堝の内側底面に挿着させて円筒状金属ヒータを固定する方法が採られ、かつ、高周波誘導コイルの下端部を円筒状金属ヒータの下端部より上側に位置させて円筒状金属ヒータの下端部が誘導加熱され難い構造になっている。このため、結晶育成中の高温条件下でも、円筒状金属ヒータを酸化物坩堝内に安定して固定させることが可能となる。 On the other hand, in the present invention, a method is adopted in which the lower end of the cylindrical metal heater is inserted into the inner bottom surface of the oxide crucible to fix the cylindrical metal heater, and the lower end of the high frequency induction coil is inserted into the cylindrical metal heater. The lower end of the cylindrical metal heater is located above the lower end, so that the lower end of the cylindrical metal heater is difficult to be heated by induction. Therefore, even under high temperature conditions during crystal growth, it is possible to stably fix the cylindrical metal heater within the oxide crucible.
尚、金属ヒータ上端部に載置される上記リング状リフレクタ、および、リング状リフレクタ上に載置された上記アフターヒータの材料は、金属ヒータと同様の材料を用いることが好ましい。 Note that the ring-shaped reflector placed on the upper end of the metal heater and the after-heater placed on the ring-shaped reflector are preferably made of the same material as the metal heater.
以下、本発明の実施例について比較例(従来例)を挙げて具体的に説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be specifically explained by citing comparative examples (conventional examples).
[実施例1]
1.実施例1に係る育成装置の製造
図4に示す断熱性外筒13内に組み込んだ内径320mm、内部高さ340mmのセラミック坩堝(CP坩堝)40内に、上方側空間部41を残して、タンタル酸リチウム粉末(結晶材料)10aを投入した。
[Example 1]
1. Manufacturing of the growth device according to Example 1
Lithium tantalate powder (crystalline material) 10a is placed in a ceramic crucible (CP crucible) 40 with an inner diameter of 320 mm and an inner height of 340 mm, which is built into the heat insulating
次いで、開口径190mmのリング状平坦部3cが下方側開放部に形成された内径230mm、高さ240mm、厚さ2mmのイリジウム製円筒状金属ヒータ3をセラミック坩堝(CP坩堝)40の上方側空間部41に組み込み、かつ、円筒状金属ヒータ3の下端部3aを上記セラミック坩堝(CP坩堝)40の結晶材料10a上に載置した。このとき、イリジウム製円筒状金属ヒータ3の下端部3aが、高周波誘導コイル2の下端部2aより30mm下側に位置されるように調整した。
Next, a
そして、図5に示すように円筒状金属ヒータ3が組み込まれたセラミック坩堝(CP坩堝)40の上方側空間部41にタンタル酸リチウム粉末(結晶材料)10aを投入し、円筒状金属ヒータ3の内部とセラミック坩堝(CP坩堝)40の上方側空間部41にタンタル酸リチウム粉末(結晶材料)10aを充填した。
As shown in FIG. The interior and the
次いで、図6に示すように円筒状金属ヒータ3の上端部3bにリング状リフレクタ15を載置し、かつ、リング状リフレクタ15上にアフターヒータ16を載置した。
Next, as shown in FIG. 6, a ring-shaped
そして、セラミック坩堝(CP坩堝)40の側壁周囲に設けられた高周波誘導コイル2により円筒状金属ヒータ3を誘導加熱し、円筒状金属ヒータ3内のタンタル酸リチウム粉末(結晶材料)10aおよび円筒状金属ヒータ3側壁近傍のタンタル酸リチウム粉末(結晶材料)10aを熔融させて原料融液10とし、かつ、円筒状金属ヒータ3側壁から離れた部位のタンタル酸リチウム粉末(結晶材料)10a間に原料融液10を流入させて連続した酸化物層1cを形成し、該酸化物層1cを内表面に有しかつ原料融液10を貯留保持可能な酸化物坩堝1を形成して実施例1に係る育成装置を製造した。
Then, the
尚、タンタル酸リチウム粉末(結晶材料)10aを熔融させて酸化物層1cを形成する際、上記円筒状金属ヒータ3外側の融液量を増やすため、高周波誘導コイル2の投入パワーを以下の育成時より10%多く設定している。これによりタンタル酸リチウム粉末(結晶材料)10a間に原料融液が流入して連続した酸化物層1cが形成される。
When melting the lithium tantalate powder (crystalline material) 10a to form the
2.タンタル酸リチウム単結晶の育成
(1)次いで、上記断熱性外筒13の開口12(図6参照)から、先端に種結晶21が取り付けられたシード棒(結晶引き上げ軸)20を下して引き上げ法(チョクラルスキー法)により結晶育成を行い、径6インチで直胴長が約150mmのタンタル酸リチウム単結晶を育成することができた。
2. Growth of lithium tantalate single crystal (1) Next, a seed rod (crystal pulling shaft) 20 with a
(2)上記タンタル酸リチウム単結晶を育成した後、円筒状金属ヒータ3が組み込まれた酸化物坩堝1内にタンタル酸リチウム粉末(結晶原料)を投入し、かつ、高周波誘導コイル2により円筒状金属ヒータ3を誘導加熱して円筒状金属ヒータ3の内側に存在するタンタル酸リチウム粉末(結晶原料)と円筒状金属ヒータ3の外側に存在するタンタル酸リチウム粉末(結晶原料)を熔融させた。
(2) After growing the lithium tantalate single crystal, lithium tantalate powder (crystal raw material) is put into the
次いで、種結晶21が取り付けられたシード棒(結晶引き上げ軸)20を開口12から下して引き上げ法(チョクラルスキー法)により結晶育成を行い、上記同様、径6インチで直胴長が約150mmのタンタル酸リチウム単結晶を育成した。
Next, the seed rod (crystal pulling shaft) 20 to which the
そして、同様の結晶育成を40回繰り返したところ、38回において同品質かつ径6インチで直胴長が約150mmのタンタル酸リチウム単結晶を育成することができた。 When the same crystal growth was repeated 40 times, it was possible to grow a lithium tantalate single crystal of the same quality, 6 inches in diameter, and about 150 mm in straight body length in 38 times.
[比較例(従来例)]
図7に示す従来例の育成装置を用い、かつ、イリジウム製で径230mm、高さ200mmの坩堝100を用いて引き上げ法(チョクラルスキー法)により径6インチで直胴長が約150mmのタンタル酸リチウム単結晶を育成した。
[Comparative example (conventional example)]
Tantalum with a diameter of 6 inches and a straight body length of approximately 150 mm is produced by the pulling method (Czochralski method) using the conventional growth apparatus shown in FIG. A lithium oxide single crystal was grown.
そして、実施例1と同様、40回の結晶育成を行う予定であったが、24回以降は単結晶が得らないため30回で結晶育成を終了した。 As in Example 1, crystal growth was scheduled to be performed 40 times, but since a single crystal could not be obtained after the 24th time, the crystal growth was ended after 30 times.
尚、単結晶が得られた回数は30回中22回であった。 Note that a single crystal was obtained 22 times out of 30 times.
育成後のイリジウム製坩堝は変形しており、24回以降は大きく変形したため単結晶が得られなかったと考えられる。 The iridium crucible was deformed after the growth, and it is thought that the single crystal could not be obtained because it was significantly deformed after the 24th test.
本発明によれば、同品質の酸化物単結晶を繰り返し安定して育成できるため、表面弾性波デバイス材料として用いられるタンタル酸リチウム単結晶等酸化物単結晶の育成装置として利用される産業上の利用可能性を有している。 According to the present invention, oxide single crystals of the same quality can be repeatedly and stably grown. It has availability.
1 酸化物坩堝
1a 内側底面
1b 外側底面
2 高周波誘導コイル
2a 下端部
3 円筒状金属ヒータ
3a 下端部
3b 上端部
3c リング状平坦部
4 セラミック容器
10 原料融液
10a 結晶材料粉
11 支持台
12 開口
13 断熱性外筒
14 ヒータ固定用棒材
15 リング状リフレクタ
16 アフターヒータ
20 シード棒(結晶引き上げ軸)
21 種結晶
30 酸化物単結晶
40 セラミック坩堝
41 上方側空間部
100 坩堝
101 高周波誘導コイル
102 シード棒(結晶引き上げ軸)
103 リング状リフレクタ
104 アフターヒータ
105 種結晶
106 原料融液
107 断熱材
108 断熱材
109 CP坩堝(多孔質アルミナ坩堝)
110 断熱性坩堝台
1
21
103 Ring-shaped
110 Insulating crucible stand
Claims (6)
上記結晶材料で構成されかつ原料融液を貯留保持可能な酸化物坩堝と、
上記酸化物坩堝の側壁周囲に設けられる高周波誘導コイルと、
上記酸化物坩堝内に組み込まれ、上記高周波誘導コイルにより誘導加熱されると共に、下端部が酸化物坩堝の内側底面に挿着される円筒状金属ヒータを備え、
かつ、上記高周波誘導コイルの下端部が上記円筒状金属ヒータの下端部より上側に位置していることを特徴とする酸化物単結晶の育成装置。 In an apparatus for growing oxide single crystals by the pulling method,
an oxide crucible made of the crystalline material and capable of storing and holding a raw material melt;
a high frequency induction coil provided around the side wall of the oxide crucible;
a cylindrical metal heater that is incorporated into the oxide crucible, is heated by induction by the high-frequency induction coil, and whose lower end is inserted into the inner bottom surface of the oxide crucible;
An apparatus for growing an oxide single crystal, wherein the lower end of the high-frequency induction coil is located above the lower end of the cylindrical metal heater.
円筒状金属ヒータが組み込まれた酸化物坩堝内に結晶原料を投入し、かつ、高周波誘導コイルにより円筒状金属ヒータを誘導加熱して円筒状金属ヒータの内側に存在する結晶原料と円筒状金属ヒータの外側に存在する結晶原料を熔融させると共に、円筒状金属ヒータ内の原料融液面に種結晶を接触させて引き上げ法により酸化物単結晶を育成することを特徴とする酸化物単結晶の育成方法。 A method for growing an oxide single crystal using the growth apparatus according to claim 1,
A crystal raw material is put into an oxide crucible with a built-in cylindrical metal heater, and the cylindrical metal heater is heated by induction using a high-frequency induction coil to separate the crystal raw material existing inside the cylindrical metal heater and the cylindrical metal heater. Growth of an oxide single crystal characterized by melting the crystal raw material existing outside the cylindrical metal heater and growing the oxide single crystal by a pulling method by bringing a seed crystal into contact with the surface of the raw material melt inside a cylindrical metal heater. Method.
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