JP2503758B2 - 希土類珪酸塩単結晶の育成方法 - Google Patents
希土類珪酸塩単結晶の育成方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は希土類珪酸塩単結晶の育成方法に関する。
（従来の技術） 珪酸ガドリニウム単結晶等の希土類珪酸塩単結晶は，
シンチレータ，螢光体等として広く用いられている。
シンチレータ，螢光体等として広く用いられている。
この単斜晶系に属する珪酸ガドリニウム（GSOとも呼
ぶ）等の希土類珪酸塩単結晶は，原料融液からチヨクラ
ルスキー法を用いて育成することが出来る。この方法で
は，るつぼ中の融液及び融液表面上の温度分布が，育成
された単結晶の品質（例えば，欠陥密度，ボイド，介在
物の包含，単結晶の亀裂発生等）に大きな影響を与え
る。特に，融点が1900℃で高いために単結晶の亀裂の発
生が起り易く，単結晶製造を大きく阻害している。これ
らの単結晶は劈開性があり，（100）面（劈開面）に沿
つて割れ易い。また，熱膨張の最も大きい［010］軸方
向に対して垂直に即ち（010）面に沿つて割れ易い性質
がある。
ぶ）等の希土類珪酸塩単結晶は，原料融液からチヨクラ
ルスキー法を用いて育成することが出来る。この方法で
は，るつぼ中の融液及び融液表面上の温度分布が，育成
された単結晶の品質（例えば，欠陥密度，ボイド，介在
物の包含，単結晶の亀裂発生等）に大きな影響を与え
る。特に，融点が1900℃で高いために単結晶の亀裂の発
生が起り易く，単結晶製造を大きく阻害している。これ
らの単結晶は劈開性があり，（100）面（劈開面）に沿
つて割れ易い。また，熱膨張の最も大きい［010］軸方
向に対して垂直に即ち（010）面に沿つて割れ易い性質
がある。
結晶学的方位を選択しないので単結晶育成を試みる
と，結晶径が小さく，結晶長が短い場合は，割れの発生
が無く，結晶育成は比較的容易であるが，結晶径が大き
く，結晶長が長いと，結晶に亀裂が発生する。育成時に
結晶に亀裂がなくても熱応力が蓄積されているため，結
晶を加工するときに割れを生ずることも多い。
と，結晶径が小さく，結晶長が短い場合は，割れの発生
が無く，結晶育成は比較的容易であるが，結晶径が大き
く，結晶長が長いと，結晶に亀裂が発生する。育成時に
結晶に亀裂がなくても熱応力が蓄積されているため，結
晶を加工するときに割れを生ずることも多い。
（発明が解決しようとする課題） 珪酸ガドリニウム単結晶等の希土類珪酸塩単結晶は，
（100）面（劈開面）の結合力が小さいため，劈開面に
大きな応力の生ずるような育成方法は好ましくない。ま
た，熱膨張の大きい方向即ち（010）面に垂直な方向
（［010］軸方向）に大きな温度差の生ずるような育成
法も，大きな熱応力を引きおこすので好ましくない。
（100）面（劈開面）の結合力が小さいため，劈開面に
大きな応力の生ずるような育成方法は好ましくない。ま
た，熱膨張の大きい方向即ち（010）面に垂直な方向
（［010］軸方向）に大きな温度差の生ずるような育成
法も，大きな熱応力を引きおこすので好ましくない。
本発明は，亀裂の無い，熱応力の蓄積の少ない希土類
珪酸塩単結晶の育成方法を提供することを目的とする。
珪酸塩単結晶の育成方法を提供することを目的とする。
（課題を解決するための手段） 本発明者らは，多くの実験の結果，（ａ）上記希土類
珪酸塩単結晶は，熱膨張係数に異方性を有しているの
で，その結晶の引上げ方位が亀裂の発生に重要な影響を
もつこと，（ｂ）上記希土類珪酸塩単結晶は，強度にも
異方性があり，同じように引上げ方位が亀裂の発生に重
要な影響をもつこと，（ｃ）育成炉は単結晶引上げ方向
に温度勾配が大きく，引上げ方向に垂直な横方向の温度
勾配が小さい，即ち単結晶の長さ方向の温度勾配が大き
く，直径方向の温度勾配が小さいこと及び（ｄ）単結晶
に亀裂が発生するのは，主に育成後の室温までの冷却時
であることを見い出し，（１）亀裂の発生は結晶内部の
温度差による熱応力によるもので，（２）熱膨張の異方
性によりその熱応力が増大され，（３）強度の異方性に
より亀裂の発生が増大するとの結論に達し，引上げの際
の結晶学的方位を検討し，本発明を完成するに至つた。
珪酸塩単結晶は，熱膨張係数に異方性を有しているの
で，その結晶の引上げ方位が亀裂の発生に重要な影響を
もつこと，（ｂ）上記希土類珪酸塩単結晶は，強度にも
異方性があり，同じように引上げ方位が亀裂の発生に重
要な影響をもつこと，（ｃ）育成炉は単結晶引上げ方向
に温度勾配が大きく，引上げ方向に垂直な横方向の温度
勾配が小さい，即ち単結晶の長さ方向の温度勾配が大き
く，直径方向の温度勾配が小さいこと及び（ｄ）単結晶
に亀裂が発生するのは，主に育成後の室温までの冷却時
であることを見い出し，（１）亀裂の発生は結晶内部の
温度差による熱応力によるもので，（２）熱膨張の異方
性によりその熱応力が増大され，（３）強度の異方性に
より亀裂の発生が増大するとの結論に達し，引上げの際
の結晶学的方位を検討し，本発明を完成するに至つた。
本発明は，原料融液に種結晶を浸し，種結晶を引き上
げて種結晶の下に単結晶を成長させる単結晶の育成方法
において，種結晶が単斜晶系の結晶であり，該種結晶の
引上軸を種結晶の結晶面の（100）面に平行でかつ（01
0）面との傾きを０゜〜25゜とする希土類珪酸塩単結晶
の育成方法に関する。
げて種結晶の下に単結晶を成長させる単結晶の育成方法
において，種結晶が単斜晶系の結晶であり，該種結晶の
引上軸を種結晶の結晶面の（100）面に平行でかつ（01
0）面との傾きを０゜〜25゜とする希土類珪酸塩単結晶
の育成方法に関する。
本発明において，引上軸が（100）面，即ち劈開面に
平行でないと，結晶成長の速度差によつて結晶形状の対
称性が悪くなる。また，劈開面の強度が小さいために，
育成炉の引上げ方向の大きい温度勾配による熱応力で
（100）面に沿つた亀裂を生じ易く，大形の結晶の育成
が困難である。また，仕上げ軸が（010）面に垂直な方
向，即ち［010］軸の方向に近いと，その方向の熱膨張
係数が大きいため，育成炉の引上げ方向の大きい温度勾
配と重なつて，過大な熱応力で（010）面に沿つた亀裂
が発生し易い。従つて種結晶の引上げ軸は，（100）面
に平行で（010）面との傾きが０゜〜25゜とすることが
必要で，この範囲からはずれると亀裂が発生する。好ま
しくは引上げ軸が（010）面とも平行，即ち［001］軸方
向と合致することである。その他の単結晶の育成条件は
公知の条件でよい。
平行でないと，結晶成長の速度差によつて結晶形状の対
称性が悪くなる。また，劈開面の強度が小さいために，
育成炉の引上げ方向の大きい温度勾配による熱応力で
（100）面に沿つた亀裂を生じ易く，大形の結晶の育成
が困難である。また，仕上げ軸が（010）面に垂直な方
向，即ち［010］軸の方向に近いと，その方向の熱膨張
係数が大きいため，育成炉の引上げ方向の大きい温度勾
配と重なつて，過大な熱応力で（010）面に沿つた亀裂
が発生し易い。従つて種結晶の引上げ軸は，（100）面
に平行で（010）面との傾きが０゜〜25゜とすることが
必要で，この範囲からはずれると亀裂が発生する。好ま
しくは引上げ軸が（010）面とも平行，即ち［001］軸方
向と合致することである。その他の単結晶の育成条件は
公知の条件でよい。
本発明の育成方法は一般式Gd2-（x+y）LnxCeySiO
5（式中LnはSc,Y,La,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Y
b及びLuからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素
を表し、ｘは０〜２及びｙは0.001〜0.2の値である）で
示されるセリウム付活希土類珪酸塩単結晶に用いて好適
である。
5（式中LnはSc,Y,La,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Y
b及びLuからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素
を表し、ｘは０〜２及びｙは0.001〜0.2の値である）で
示されるセリウム付活希土類珪酸塩単結晶に用いて好適
である。
（実施例） 次に実施例及び比較例を説明する。
比較例１ 純度99.99〜99.999％のGd2O3,CeO2及びSiO2からなる
酸化物原料をGd1.995Ce0.005SiO5の組成になるように配
合して，その4kgを直径100mm,高さ100mmのイリジウムる
つぼに入れ，窒素雰囲気中で高周波加熱により原料を約
1950℃に加熱し，チヨクラルスキー法で結晶引上速度を
毎時1.5mmとし，毎分40回転の条件で溶融から単結晶を
育成した。種結晶の引上軸は（100）面に平行で（010）
面に対し45゜傾けた。その結果育成した単結晶の大きさ
は，直径50mm,長さ180mmであつたが，引上軸に対して45
゜の角度の亀裂がその肩部から生じた。この原因は，一
般にチヨクラルスキー法で単結晶を安定して育成するた
めには，育成炉の引上げ方向の温度勾配を大きくする必
要があることから，炉中にある育成された単結晶は，引
上げ方向の大きな温度勾配に曝されて，冷却中に大きな
熱応力が蓄積された結果と考えられる。上記の例では，
育成後期の育成炉は原料融液に入つているるつぼが発熱
体であり，るつぼが1900℃〜1980℃になつているのに対
して，炉上部の耐火物保温筒付近では900〜1000℃であ
つた。なお，育成炉の横方向（直径方向）の温度勾配
は，イリジウムるつぼ内では50℃前後，炉上部保温筒付
近で100℃前後であつた。
酸化物原料をGd1.995Ce0.005SiO5の組成になるように配
合して，その4kgを直径100mm,高さ100mmのイリジウムる
つぼに入れ，窒素雰囲気中で高周波加熱により原料を約
1950℃に加熱し，チヨクラルスキー法で結晶引上速度を
毎時1.5mmとし，毎分40回転の条件で溶融から単結晶を
育成した。種結晶の引上軸は（100）面に平行で（010）
面に対し45゜傾けた。その結果育成した単結晶の大きさ
は，直径50mm,長さ180mmであつたが，引上軸に対して45
゜の角度の亀裂がその肩部から生じた。この原因は，一
般にチヨクラルスキー法で単結晶を安定して育成するた
めには，育成炉の引上げ方向の温度勾配を大きくする必
要があることから，炉中にある育成された単結晶は，引
上げ方向の大きな温度勾配に曝されて，冷却中に大きな
熱応力が蓄積された結果と考えられる。上記の例では，
育成後期の育成炉は原料融液に入つているるつぼが発熱
体であり，るつぼが1900℃〜1980℃になつているのに対
して，炉上部の耐火物保温筒付近では900〜1000℃であ
つた。なお，育成炉の横方向（直径方向）の温度勾配
は，イリジウムるつぼ内では50℃前後，炉上部保温筒付
近で100℃前後であつた。
上記で得られた単結晶の600℃における各結晶方位の
線膨張係数を測定した結果，（100）面（劈開面）に垂
直な方向，即ち［100］−17゜の方向で5.3×10-6/K,（0
01）面に垂直な方向，即ち［001］軸方向で6.7×10-6/K
であるのに対し，（010）面に垂直な方向，即ち［010］
軸方向では15.5×10-6/Kであり，他の方向に比して約３
倍大きい結果が得られた。また，同時に各結晶方位につ
いて曲げ強さの測定を行つた。厚さ3mm×幅4mm×長さ40
mmの試験片（試料）を第１図の模式図に示すように，結
晶学的方位別に作成した。図中［001］の方向が引上軸
方向であり，［100］−17゜の方向に沿つて試料を，
，［001］の方向に沿つた試料を，及び［010］の
方向に沿つた試料を，とした。各試料についてｔは
厚さ、ｗは幅及びｌは長さを示す。各試料の曲げ強さは
JIS R1601−1981に規定する４点曲げ強さ試験法に従つ
て、長さ（ｌ）の方向に測定用の楔を４個当接し，厚さ
（ｔ）の方向に荷重をかけて測定した。その結果を第１
表に示す。
線膨張係数を測定した結果，（100）面（劈開面）に垂
直な方向，即ち［100］−17゜の方向で5.3×10-6/K,（0
01）面に垂直な方向，即ち［001］軸方向で6.7×10-6/K
であるのに対し，（010）面に垂直な方向，即ち［010］
軸方向では15.5×10-6/Kであり，他の方向に比して約３
倍大きい結果が得られた。また，同時に各結晶方位につ
いて曲げ強さの測定を行つた。厚さ3mm×幅4mm×長さ40
mmの試験片（試料）を第１図の模式図に示すように，結
晶学的方位別に作成した。図中［001］の方向が引上軸
方向であり，［100］−17゜の方向に沿つて試料を，
，［001］の方向に沿つた試料を，及び［010］の
方向に沿つた試料を，とした。各試料についてｔは
厚さ、ｗは幅及びｌは長さを示す。各試料の曲げ強さは
JIS R1601−1981に規定する４点曲げ強さ試験法に従つ
て、長さ（ｌ）の方向に測定用の楔を４個当接し，厚さ
（ｔ）の方向に荷重をかけて測定した。その結果を第１
表に示す。
第１表から［100］−17゜の方向に変位させた場合の
強度が最も弱い，即ち劈開面の（100）面の結合力が最
も弱いことが判る。
強度が最も弱い，即ち劈開面の（100）面の結合力が最
も弱いことが判る。
上記した三つの条件，即ち（１）育成炉の引上げ方向
の温度勾配の大きさ，（２）単結晶の［010］軸方向の
大きい線膨張係数及び（３）単結晶の（100）面（劈開
面）の結合力の強さを総合すると，単結晶の亀裂を防止
するためには，（100）面（劈開面）に垂直な方向（［1
00］−17゜の方向）及び（010）面に垂直な方向（［01
0］軸の方向）を育成炉の温度勾配の大きい引上げ方向
に位置させないことが必要であることが判る。
の温度勾配の大きさ，（２）単結晶の［010］軸方向の
大きい線膨張係数及び（３）単結晶の（100）面（劈開
面）の結合力の強さを総合すると，単結晶の亀裂を防止
するためには，（100）面（劈開面）に垂直な方向（［1
00］−17゜の方向）及び（010）面に垂直な方向（［01
0］軸の方向）を育成炉の温度勾配の大きい引上げ方向
に位置させないことが必要であることが判る。
実施例１ 引上軸を，種結晶の（100）面及び（010）面に平行，
即ち［001］軸の方向に一致させた以外は，比較例１と
同様にして単結晶を育成し，直径50mm,長さ180mmの亀裂
のない単結晶が90％以上の収率で得られた。
即ち［001］軸の方向に一致させた以外は，比較例１と
同様にして単結晶を育成し，直径50mm,長さ180mmの亀裂
のない単結晶が90％以上の収率で得られた。
実施例２ 引上軸を種結晶の（100）面に平行で，（010）面に対
して引上げ方向に25゜傾けた以外は，比較例１と同様に
して単結晶を育成し，亀裂のない単結晶が80％の収率で
得られた。
して引上げ方向に25゜傾けた以外は，比較例１と同様に
して単結晶を育成し，亀裂のない単結晶が80％の収率で
得られた。
比較例２ 引上軸を種結晶の（100）面に平行で，（010）面に垂
直な方向に一致させた以外は比較例１と同様にして単結
晶を育成した。得られた結晶は，長さ方向に直角に亀裂
が100％発生した。
直な方向に一致させた以外は比較例１と同様にして単結
晶を育成した。得られた結晶は，長さ方向に直角に亀裂
が100％発生した。
実施例３ 原料をCd1.495Lu0.5Ce0.005SiO5の組成になるように
配合し，比較例１と同様の方法で溶融し，その融液か
ら，引上軸を実施例１と同じとした以外は比較例１と同
様にして単結晶を育成し，亀裂のない単結晶が90％以上
の収率で得られた。
配合し，比較例１と同様の方法で溶融し，その融液か
ら，引上軸を実施例１と同じとした以外は比較例１と同
様にして単結晶を育成し，亀裂のない単結晶が90％以上
の収率で得られた。
（発明の効果） 本発明によれば，亀裂のない希土類珪酸塩単結晶が収
率よく得られる。また，得られた単結晶には，熱応力の
蓄積が少なく，結晶の機械加工が容易である。
率よく得られる。また，得られた単結晶には，熱応力の
蓄積が少なく，結晶の機械加工が容易である。
第１図は,GSO単結晶の曲げ強さを測定する試料を採取す
る場合の結晶学的方位を示す模式図である。
る場合の結晶学的方位を示す模式図である。
Claims (3)
- 【請求項１】原料融液に種結晶を浸し，種結晶を引上げ
て種結晶の下に単結晶を成長させる単結晶の育成方法に
おいて，種結晶が単斜晶系の結晶であり，該種結晶の引
上軸を，種結晶の結晶面の（100）面に平行で，かつ（0
10）面との傾きを０゜〜25゜とすることを特徴とする希
土類珪酸塩単結晶の育成方法。 - 【請求項２】種結晶の引上軸を，種結晶の結晶面の（10
0）面及び（010）面に平行で［001］軸の方向とする請
求項１記載の希土類珪酸塩単結晶の育成方法。 - 【請求項３】稀土類珪酸塩単結晶が一般式Gd2-（x+y）L
nxCeySiO5（ここにLnはSc,Y,La,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Tb,Dy,
Ho,Er,Tm,YbおよびLuからなる群より選ばれる少なくと
も１種の元素を表し,xは０〜２及びｙは0.001〜0.2の値
である。）で示されるセリウム付活希土類珪酸塩単結晶
である請求項１又は２記載の希土類珪酸塩単結晶の育成
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31948590A JP2503758B2 (ja) | 1990-07-06 | 1990-11-22 | 希土類珪酸塩単結晶の育成方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2-179895 | 1990-07-06 | ||
| JP17989590 | 1990-07-06 | ||
| JP31948590A JP2503758B2 (ja) | 1990-07-06 | 1990-11-22 | 希土類珪酸塩単結晶の育成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04175297A JPH04175297A (ja) | 1992-06-23 |
| JP2503758B2 true JP2503758B2 (ja) | 1996-06-05 |
Family
ID=26499606
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31948590A Expired - Lifetime JP2503758B2 (ja) | 1990-07-06 | 1990-11-22 | 希土類珪酸塩単結晶の育成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2503758B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5667583A (en) * | 1994-03-30 | 1997-09-16 | Hitachi Chemical Co. Ltd. | Method of producing a single crystal of a rare-earth silicate |
| JP4622329B2 (ja) * | 2003-07-24 | 2011-02-02 | 日立化成工業株式会社 | 希土類珪酸塩単結晶及び希土類珪酸塩単結晶の製造方法 |
| JP4639711B2 (ja) * | 2004-09-15 | 2011-02-23 | 日立化成工業株式会社 | 無機シンチレータ及びその製造方法 |
| KR20080003338A (ko) * | 2005-04-28 | 2008-01-07 | 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤 | 산화물 단결정과 그 제조 방법 및 단결정 웨이퍼 |
| JP4518069B2 (ja) * | 2006-11-06 | 2010-08-04 | 日立化成工業株式会社 | シンチレータ用希土類珪酸塩単結晶 |
-
1990
- 1990-11-22 JP JP31948590A patent/JP2503758B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04175297A (ja) | 1992-06-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090402 Year of fee payment: 13 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
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