JP3531254B2

JP3531254B2 - 単結晶の製造方法

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Publication number: JP3531254B2
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Authority: JP
Inventors: 和隆羽生
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Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体レーザ材料及び偏
光子として有用な単結晶の製造方法に関し、詳細にはバ
ナジン酸イットリウムを母結晶とする単結晶の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、バナジン酸イットリウム（以下、
ＹＶＯ₄ と称する。）は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを凌駕す
る固体レーザ材料の母結晶として注目されている。ま
た、上記ＹＶＯ₄ を母結晶とした単結晶においては、一
軸性結晶をもつ正方晶結晶であり、方位による光学的異
方性をもつこと、さらにバイレフリンゼンスが大きいこ
とを利用して偏光子としての応用も考えられている。な
お、上記ＹＶＯ₄ を母結晶とする単結晶を製造する方法
のうち主なものとしては、いわゆる引き上げ法やフロー
ティングゾーン法が挙げられる。

【０００３】しかしながら、上記ＹＶＯ₄ においては、
その融点が１８１０℃と高温であり、母結晶として上記
ＹＶＯ₄ を製造する場合、バナジウムの蒸気圧が高く、
蒸散し易く組成制御が難しいといった不都合がある。

【０００４】また、上記ＹＶＯ₄ においては、黄色く着
色してしまい、これを母結晶とする単結晶においても黄
色の着色が生じるといった不都合も生じている。なお、
上記ＹＶＯ₄ を母結晶とする単結晶には、３ｄ電子また
は４ｄ電子を持つ元素を含有させることが多いが、該Ｙ
ＶＯ₄ を母結晶とする単結晶には上記元素の固有の色の
着色よりも、母結晶の黄色の着色を反映した着色が生じ
る。

【０００５】このようなＹＶＯ₄ を母結晶とする単結晶
の黄色の着色は、酸素欠損によるバナジウムの価数変化
に起因する、カラーセンターに起因する等の諸説が論じ
られているが、いずれにしても結晶の欠陥に起因するも
のであり、結晶の質を劣化させるものである。そして、
上記単結晶の黄色の着色は、単結晶の光学特性のうちの
透過特性やレーザ発振を劣化させることとなり、これを
光学材料として使用する場合の透過率の低下、レーザ特
性の劣化等を招き、好ましくない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、上記のように
着色したＹＶＯ₄ を母結晶とする単結晶においては、製
造後に酸素雰囲気中で加熱処理（いわゆるアニール処
理）を行い、透明化して各特性を向上させている。そし
て、上記アニール処理の加熱は、ヒーター加熱により行
うのが一般的である。

【０００７】すなわち、上記ＹＶＯ₄ を母結晶とする単
結晶を製造する製造設備として、高温のヒータ環状炉が
必要となる。このようなヒーター環状炉としては、シリ
コニット炉，モリブデン炉やスーパカンタル炉等が挙げ
られる。

【０００８】しかしながら、上記シリコニット炉は１６
００℃まで使用できるものの、ヒータの抵抗が非線系で
電源が高価であり保守が煩雑である。上記モリブデン炉
は１８００℃まで使用できるものの、還元雰囲気での使
用に限られ、高価である上、保守が煩雑である。またス
ーパカンタル炉は１５００℃まで使用できるものの、や
はり高価である上、保守が煩雑である。従って、いずれ
の炉を使用しても単結晶の製造コストは高価なものとな
ってしまう。

【０００９】ヒーター環状炉として、安価で保守が容易
なカンタル炉も挙げられるが、１２００℃までしか使用
できず、それほど温度が上げられない為に、アニール処
理時間を多くとらねばならず、結果的には単結晶の製造
コストは高価なものとなってしまう。このことは、Ｏｐ
ｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ９４、Ｎｏ．１６，（１９
９４），１２１６等においても検討されており、上記論
文中においては、アニール処理を１３００℃の温度下で
酸素ガス，窒素ガス雰囲気中で２４時間行っているが、
加熱温度を融点直下まで上げられないことから、アニー
ル処理時間が長時間となっている。

【００１０】そこで本発明は、従来の実情に鑑みて提案
されたものであり、比較的安価かつ短時間で容易に加熱
処理を行い、バナジン酸イットリウムを母結晶とする単
結晶の着色を解消する単結晶の製造方法を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに本発明者等は鋭意検討した結果、バナジン酸イット
リウムを母結晶とする単結晶が赤外線をよく吸収し、上
記単結晶に赤外線を照射することにより該単結晶が短時
間で加熱されることを見い出した。すなわち、赤外線の
照射により単結晶の加熱処理を行うようにすれば、短時
間で単結晶を高温まで昇温することが可能となり、短時
間で容易に加熱処理を行うことができる。

【００１２】また、単結晶に赤外線を照射して加熱する
ようにすれば、熱源として赤外線ランプ等を使用できる
ことから、比較的安価に加熱処理を行うことができる。
さらに、加熱炉を構成する炉材を従来のヒータ環状炉に
使用する炉材ほどイナーシャの大きいものとする必要が
なく、昇温が容易となり、短時間で容易に加熱処理を行
うことができる。なお、上記イナーシャの比較的小さな
炉材は広い温度範囲に対して対応可能である。

【００１３】すなわち本発明は、バナジン酸イットリウ
ムを母結晶とする単結晶を製造した後、加熱処理する単
結晶の製造方法において、加熱処理が赤外線ランプの照
射により行われることを特徴とするものである。

【００１４】なお、本発明においては、上記加熱処理の
際の雰囲気ガスの酸素濃度が０．８〜２０％であること
が好ましく、１５％以下であることがより好ましい。

【００１５】さらに本発明においては、単結晶が３ｄ電
子または４ｄ電子をもった元素を含有することが好まし
く、上記３ｄ電子または４ｄ電子をもった元素がＴｉ，
Ｃｒ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｓｍ，Ｎｄ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙ
ｂのうち少なくとも１種であることが好ましい。

【００１６】

【００１７】

【作用】本発明の単結晶の製造方法においては、バナジ
ン酸イットリウムを母結晶とする単結晶を製造した後
に、上記単結晶に赤外線ランプを照射して加熱処理し、
バナジン酸イットリウムを母結晶とする単結晶が赤外線
を吸収する性質を利用して上記単結晶を加熱するため、
該単結晶が短時間で高温まで昇温される。

【００１８】そして、このように加熱処理することから
単結晶の着色が解消される。

【００１９】また、本発明のように単結晶の加熱を赤外
線ランプの照射により行うようにすれば、熱源である赤
外線ランプが比較的安価であることから、加熱処理のコ
ストが比較的安価となる。さらに、加熱炉を構成する場
合にも炉材を従来のヒータ環状炉に使用する炉材ほどイ
ナーシャの大きいものとする必要がなく、昇温が容易と
なり、加熱処理が短時間で容易に行われる。

【００２０】さらにまた、本発明において、加熱処理の
際の雰囲気ガスの酸素濃度が０．８〜２０％とされてい
ると、単結晶の着色がより解消される。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を適用した具体的な実施例につ
いて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施
例の単結晶の製造方法においては、単結晶の製造をフロ
ーティングゾーン法を適用した単結晶製造装置により行
うものとし、上記単結晶を加熱処理（アニール処理）す
るための赤外線ランプの照射を上記単結晶製造装置を用
いて行うものとした。

【００２２】本実施例で使用した単結晶製造装置は、図
１に示すように、赤外線集光加熱型育成炉２内に配され
る原料棒１−１の所定の位置に、上記赤外線集光加熱型
育成炉２内に配される赤外線ランプ３，４の赤外線を集
光照射して溶融帯１−０を形成し、上記原料棒１−１を
所定の速さで図中下方に送り出す上部シャフト５と上記
原料棒１−１を所定の速さで図中下方に引き下げる下部
シャフト６により原料棒１−１あるいは種結晶１−２を
移動させることにより溶融帯を原料棒１の図中上方に相
対的に移動させて、溶融帯下端部を順次単結晶化して連
続的に単結晶を製造するものである。

【００２３】上記赤外線集光加熱型育成炉２は、楕円の
一端部を切り欠いた略楕円形の断面の空洞部７ａ，７ｂ
をそれぞれ有する炉体２ａ，２ｂが、上記空洞部７ａ，
７ｂを対向させるようにして突き合わされたものであ
る。そして、上記赤外線集光加熱型育成炉２内には、断
面が、２個の楕円の一方の焦点同士を重ねた形状、いわ
ゆる双楕円形の空洞部７が形成され、上記空洞部７の中
心は双楕円形の重ねた焦点となる。このとき、炉体２
ａ，２ｂの空洞部７ａ，７ｂの壁面が反射鏡となされて
いるため、空洞部７の壁面は双楕円面鏡となる。

【００２４】また、上記赤外線集光加熱型育成炉２には
その中央を貫通するように図中上下方向に延在する石英
管８が設けられており、該石英管８内の図中上下方向に
は雰囲気ガス流入口９と雰囲気ガス排気口１０が設けら
れている。そして、雰囲気ガスの充填された石英管８内
において、原料棒１−１及び原料棒１−１あるいは種結
晶１−２は上部シャフト５，下部シャフト６により保持
され、双楕円形の空洞部７の中心、すなわち重ねた焦点
上にその一部が位置するように配されている。

【００２５】さらに、上記上部シャフト５には駆動装置
１１が接続され、原料棒１−１を回転させながら図中下
方に送り出すことが可能とされており、下部シャフト６
にも駆動装置１２が接続されて、原料棒１−１あるいは
種結晶１−２を回転させながら図中下方に引き下げるこ
とが可能なようになされている。なお、上記駆動装置１
２により下部シャフト６は原料棒１−１あるいは種結晶
１−２を図中上方に送り出すことも可能とされている。

【００２６】また、上部シャフト５の先端部には図示し
ないフックが設けられて原料棒１−１を保持できるよう
になされ、下部シャフト６の先端部は図示しないアルミ
ナのチューブで芯出しされて原料棒１−１あるいは種結
晶１−２を固定できるようになされているが、上部シャ
フト５の先端部も同様の構成としても構わない。

【００２７】そして、上記赤外線集光加熱型育成炉２の
炉体２ａ，２ｂの空洞部７ａ，７ｂの他方の焦点、すな
わち双楕円形の空洞部７の焦点にそれぞれ位置するよう
に一対の赤外線ランプ３，４が配されている。

【００２８】従って、双楕円形の空洞部７の焦点に位置
する一対の赤外線ランプ３，４から照射される赤外線
は、空洞部７壁面の双楕円面鏡により反射されて、原料
棒１−１の空洞部７の重ねた焦点に位置する部分に必ず
集光され、この部分が加熱されて溶融帯となる。なお、
上記単結晶製造装置においては、赤外線ランプ３，４と
して、ハロゲンランプを使用しているが、キセノンラン
プの使用も可能である。

【００２９】また、上記赤外線集光加熱型育成炉２は、
炉体２ａ，２ｂを図中左右方向に移動させて開閉扉とし
て炉の開閉を可能とし、この開閉部から原料棒の取り付
け，取り外し、単結晶の取り出しを可能としている。

【００３０】なお、上記単結晶製造装置においては、赤
外線集光加熱型育成炉２内部を観察できるように、該赤
外線集光加熱型育成炉２に図示しない観察用の窓が設け
られており、さらにこの観察用の窓に向けてレンズ１
３，フィルター１４を介してビデオカメラ１５が設けら
れている。

【００３１】本実施例の単結晶の製造方法においては、
先ず上記単結晶製造装置により単結晶の製造を行う。そ
して例えば原料棒同士から単結晶の製造を行う場合に
は、先ず、雰囲気ガスの充填された石英管８内におい
て、上部シャフト５に原料棒を保持させるとともに、下
部シャフト６に別の原料棒を保持させる。

【００３２】次に、上部シャフト５，下部シャフト６に
保持された原料棒を回転させ、例えば上部シャフト５に
保持される原料棒の先端部に、一対の赤外線ランプ３，
４の赤外線を空洞部７の双楕円面鏡により反射させて集
光して照射し、上記先端部を加熱して溶融させ、メルト
を形成する。

【００３３】続いて、上部シャフト５に保持される原料
棒１−１と下部シャフト６に保持される原料棒１−１あ
るいは種結晶１−２をメルトを介して接合させ、図１中
に示すような溶融体を形成させる。

【００３４】次に、上記メルトを最初の溶融帯とし、上
部シャフト５及び下部シャフト６により上記原料棒１−
１あるいは種結晶１−２を所定の速さで図中下方に引き
下げて移動させることにより上記溶融帯を原料棒の図中
上方に相対的に移動させ、溶融帯の下端部を順次単結晶
化して連続的に単結晶を製造し、最終的には上部シャフ
ト５側の原料棒全体を単結晶化する。

【００３５】次に、本実施例の単結晶の製造方法におい
ては、上記のようにして製造された単結晶に対してアニ
ール処理を行う。すなわち、本実施例においては、上記
単結晶製造装置の赤外線集光加熱型育成炉２内の赤外線
ランプ３，４を調整して単結晶の温度がアニール処理に
適した温度となるように赤外線を照射するとともに、単
結晶を下部シャフト６により図中上方に送り出して単結
晶を図中上方に移動させて、単結晶の赤外線照射位置を
図中下方に移動させて行き、単結晶を順次アニール処理
する。

【００３６】従って、本実施例の単結晶の製造方法にお
いては、バナジン酸イットリウムを母結晶とする単結晶
を製造した後に、上記単結晶に赤外線ランプを照射して
加熱処理し、バナジン酸イットリウムを母結晶とする単
結晶が赤外線を吸収する性質を利用して上記単結晶を加
熱することとなり、該単結晶が短時間で高温まで昇温さ
れ、加熱処理が短時間で容易に行われる。

【００３７】そして、上記単結晶を加熱処理することか
ら上記単結晶の着色が解消され、該単結晶の光学的特性
が向上する。

【００３８】また、本実施例のように単結晶の加熱を赤
外線ランプの照射により行うようにすれば、熱源である
赤外線ランプが比較的安価であることから、加熱処理の
コストが比較的安価となる。

【００３９】さらに、本実施例においては、アニール処
理のための加熱炉を単結晶製造のための赤外線集光型加
熱育成炉と兼用しており、安価に単結晶を製造できる。

【００４０】また、アニール処理用の加熱炉を別途構成
する場合にも、本発明のように熱源を赤外線ランプとす
れば、炉材を従来のヒータ環状炉に使用する炉材ほどイ
ナーシャの大きいものとする必要がなく、昇温が容易と
なり、加熱処理が短時間で容易に行われる。

【００４１】続いて、本実施例の単結晶の製造方法によ
り、実際に単結晶の製造を行った。

【００４２】原料棒の作製先ず、原料棒の作製を行った。最初に、純度４Ｎの酸化
イットリウム試薬（Ｙ₂ Ｏ₃ ）の灼熱減量を空気中で１
０００℃×１０時間で加熱処理して求め、純度４Ｎの五
酸化バナジウム試薬（Ｖ₂ Ｏ₅ ）の灼熱減量を空気中で
５００℃×１０時間で加熱処理して求めた。そして、上
記Ｙ₂ Ｏ₃ 及びＶ₂ Ｏ₅ を１：１のモル比となるように
秤量した。なお、このとき、本実施例においては、添加
剤として、例えばＴｉ，Ｃｒ，Ｃｅ、Ｐｒ，Ｓｍ，Ｎ
ｄ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ，Ｙｂ等を添加してもよく、上記
添加剤を含有するＹＶＯ₄ を母結晶とする単結晶はレー
ザ材料として好適である。

【００４３】次に、これらを分散媒としてエタノールを
用いて湿式混合して乾燥させて原料粉を作製した。そし
て、上記原料粉を直径が６〜８ｍｍ程度の袋状の生ゴム
（ラバー）内に充填し、これに静水圧３ｋｇ／ｃｍ² の
圧力をかけて成形して原料棒とした。次に、この原料棒
を空気中で１３００℃で３〜６時間程度焼成した。得ら
れた原料棒は、直径が約５〜８ｍｍ程度で長さは１００
ｍｍ程度であった。

【００４４】原料棒同士からの種結晶の製造先ず、上記原料棒の直径５．２ｍｍのものを長さ２０ｍ
ｍ程度で切断し、長さ２０ｍｍの原料棒を前述の赤外線
集光加熱型育成炉２内の下部シャフト６にアルミナのチ
ューブで芯出しして保持させ、上記原料棒の切断した残
りを上部シャフト５に白金のフックにより保持させた。

【００４５】そして、雰囲気ガスとして窒素ガスを使用
し、予め雰囲気ガス流入口９から流量を毎分２．５リッ
トルとして流入させておいた。

【００４６】続いて、上部シャフト５に保持された原料
棒を駆動装置１１により２０ｒｐｍで回転させ、下部シ
ャフト６に保持された原料棒を駆動装置１２により反対
方向に１０ｒｐｍで回転させながら、一対の赤外線ラン
プ３，４により赤外線を上部シャフト５，下部シャフト
６に保持された原料棒の先端に照射した。

【００４７】なお、赤外線ランプ３，４としては、１０
０Ｖ−１．５ｋＷのハロゲンランプを用い、該赤外線ラ
ンプ３，４の出力制御は電圧制御により行った。

【００４８】赤外線の照射は、はじめ赤外線ランプ３，
４の電圧を原料棒が溶融すると思われる電圧よりも低め
の電圧まで２時間程度かけて自動的に上げ、続いて原料
棒の先端を観察しながら原料棒の先端が溶融するまで手
動で上げて行い、溶融部分であるメルトを介して原料棒
同士を接合させて図１中に示すような形状の原料棒１と
した。

【００４９】続いて、上記メルトを最初の溶融帯とし、
結晶成長速度を５．０ｍｍ／ｈとするべく、上部シャフ
ト５を３．８〜５．０ｍｍ／ｈの速度で回転させるとと
もに下部シャフト６を５．０ｍｍ／ｈの速さで回転させ
て上記原料棒１を図中下方に移動させ、溶融帯を原料棒
１の図中上方に相対的に移動させ、溶融帯の下端部を順
次単結晶化して連続的に結晶を製造し、その長さを３０
ｍｍとした。

【００５０】上記のようにして製造された結晶は棒状に
形成されるが、結晶の成長方向が下部シャフト６上の原
料棒１−１を図中下方に引き下げる方向と上部シャフト
５の原料棒１−１の芯出しが少しずれていても製造され
た結晶の長さが３０ｍｍ程度になるとほぼ引き下げる方
向に一致していた。そして、得られた結晶の径は約４ｍ
ｍ程度であった。

【００５１】このようにして原料棒同士から結晶を製造
すると、種結晶を用いていないことから、結晶の成長方
位は製造毎に異なる。そこで、上記結晶の製造を数回行
ったところ、結晶の優先成長方位が得られる。上記条件
にて原料棒同士からの結晶の製造を数回行い、ｃ軸育成
が出来る結晶を作成した。上記ｃ軸の方位に沿って成長
した結晶は黄色く着色していた。

【００５２】種結晶を用いた単結晶の製造（その１）次に、上記のようにして得たｃ軸育成用の結晶を種結晶
として単結晶の製造を行った。すなわち、上記種結晶を
前述の赤外線集光加熱型育成炉２内の下部シャフト６に
原料棒の代わりにアルミナのチューブで芯出しして保持
させ、直径が５〜１０ｍｍで長さが１００ｍｍ程度の原
料棒を上部シャフト５に白金のフックにより保持させ、
これらを用いて単結晶の製造を行った。

【００５３】このとき、雰囲気ガスとして窒素ガスと酸
素ガスの混合ガスを使用するものとし、先ず、アニール
処理の際の雰囲気ガス中の酸素濃度を確保するために、
ローターポンプ，ターボ分子ポンプでフローティングゾ
ーン法のベルジャーに相当する図１中の石英管８内を雰
囲気ガス排気口１０から排気し、窒素ガスの流量が毎分
２．５リットル、酸素ガスの流量が毎分０．０２リット
ルとなるように雰囲気ガス流入口９から石英管８内に各
ガスをマスフローコントローラで流して制御し、雰囲気
ガス中の酸素濃度を０．８％とした。

【００５４】続いて、上部シャフト５に保持された原料
棒を駆動装置１１により６〜３０ｒｐｍで回転させ、下
部シャフト６に保持された種結晶を駆動装置１２により
反対方向に６〜１０ｒｐｍで回転させながら、一対の赤
外線ランプ３，４により赤外線を上部シャフト５に保持
された原料棒及び下部シャフト６に保持された種結晶の
先端に照射した。

【００５５】なお、赤外線ランプ３，４としては、１０
０Ｖ−１．５ｋＷのハロゲンランプを用い、該赤外線ラ
ンプ３，４の出力制御は電圧制御により行うものとし
た。

【００５６】赤外線の照射は、はじめ赤外線ランプ３，
４の電圧を原料棒，種結晶が溶融すると思われる電圧よ
りも低めの電圧まで２時間程度かけて自動的に上げ、続
いて原料棒の先端を観察しながら手動で上げて行った。
そして、原料棒及び種結晶の先端が溶融し始めた後、溶
融部分であるメルトを介して種結晶と原料棒を接合させ
て図１中に示す原料棒１と同様の形状とした。

【００５７】次に、上記メルトを最初の溶融帯とし、上
部シャフト５を６．５ｒｐｍで回転させるとともに下部
シャフト６を６ｒｐｍで反対方向に回転させて種結晶１
−２を図中下方に移動させ、溶融帯を原料棒１−１の図
中上方に相対的に移動させ、溶融帯の下端部を順次単結
晶化して連続的にＹＶＯ4 を母結晶とし、ｃ軸方向に成
長する単結晶を製造した。なお、このときの結晶成長速
度は毎時５ｍｍとされ、赤外線ランプの電圧は７０Ｖ前
後であった。

【００５８】続いて、赤外線ランプの電圧を緩やかに下
げて単結晶の温度を緩やかに下げ、原料棒を単結晶から
切り離した。

【００５９】次に、石英管８内の雰囲気ガス中の酸素濃
度を結晶育成中と同様に０．８％に保ったままで、赤外
線ランプ３，４の電圧を６５Ｖまで自動で緩やかに下げ
た後、電圧を６５Ｖに保持した状態で赤外線ランプ３，
４により赤外線を照射しながら、下部シャフト６に保持
された種結晶上に育成された単結晶を毎時１．５ｍｍの
速度で、９時間程かけて図中上方に移動させた。

【００６０】すなわち、上記単結晶のうち上部シャフト
５側の先端部１３ｍｍを、図中上方に移動させながら赤
外線ランプの電圧６５Ｖに相当する温度でアニール処理
した。アニール処理後、単結晶の移動を止め、終夜、緩
やかに徐冷した。

【００６１】そして、室温まで冷却された単結晶を取り
出したところ、単結晶の上部シャフト５側の先端部１３
ｍｍ程度が透明になっており、下部シャフト６側の最初
に育成された部分は黄色く着色されたままであった。な
お、この単結晶をサンプル１と称する。

【００６２】種結晶を用いた単結晶の製造（その２）次に、上述の単結晶の製造と略同様の製造方法で、アニ
ール処理の際の雰囲気ガス中の酸素濃度のみ変更した製
造方法で単結晶の製造を行った。

【００６３】すなわち、上述の製造方法と同様にして単
結晶を製造し、その後、雰囲気ガス中の酸素濃度を変更
して上述の単結晶の製造と同様にアニール処理を行っ
た。具体的には、単結晶を原料棒より切り離した後、雰
囲気ガス中の酸素濃度を５，１０，２０，１００％と変
化させてそれぞれの条件下でアニール処理を行い、単結
晶を得た。

【００６４】なお、アニール処理の際の赤外線ランプの
電圧は６５Ｖとし、製造された単結晶を毎時１．５ｍｍ
の速度で、９時間程かけて図中上方に移動させるものと
した。

【００６５】上述の単結晶の製造方法と同様に、室温ま
で冷却された単結晶を観察したところ、上部シャフト５
側の先端部１３ｍｍ程度が透明になっていた。なお、酸
素濃度が５，１０，２０，１００％の条件下でアニール
処理された単結晶をそれぞれサンプル２〜５と称する。

【００６６】種結晶を用いた単結晶の製造（その３）さらに、上述の単結晶の製造と略同様の製造方法で、ア
ニール処理の際の雰囲気ガス中の酸素濃度を零とし、窒
素ガスのみとした製造方法で単結晶の製造を行った。

【００６７】すなわち、上述の製造方法と同様にして単
結晶を製造し、その後、雰囲気ガス中の酸素濃度を零と
して上述の単結晶の製造と同様にアニール処理を行っ
た。

【００６８】具体的には、単結晶を原料棒より切り離し
た後、雰囲気ガス中の酸素濃度を０％とし、窒素ガスの
みとしてアニール処理を行い、単結晶を得た。

【００６９】このときの赤外線ランプの電圧は６５Ｖと
したが、アニール処理中に単結晶が融けるトラブルが発
生した。

【００７０】そこで、再度、単結晶を製造し、アニール
処理の際の赤外線ランプの電圧を５７．５Ｖに下げ、単
結晶の温度を下げてアニール処理を行った。

【００７１】なお、このとき、製造された単結晶を毎時
１．５ｍｍの速度で、９時間程かけて図中上方に移動さ
せるものとした。

【００７２】上述の単結晶の製造方法と同様に、室温ま
で冷却された単結晶を観察したところ、単結晶の着色は
余り低減されていなかった。なお、この単結晶をサンプ
ル６と称する。

【００７３】種結晶を用いた単結晶の製造（その４）次に、上記種結晶を用いた単結晶の製造（その３）と同
様の製造方法で、アニール処理の際に単結晶を移動させ
ないようにした製造方法で単結晶の製造を行った。

【００７４】具体的には、単結晶を原料棒より切り離し
た後、上記単結晶を一度、室温まで冷却した。そして、
雰囲気ガス中の酸素濃度を０％とし、窒素ガスのみとし
て雰囲気ガス中の酸素濃度を零とした。そして、次に、
赤外線ランプの電圧を２時間で０Ｖから５７．５Ｖまで
上昇させ、単結晶を室温から昇温させ、この状態で単結
晶を移動させないで９時間のアニール処理を行った。な
お、この単結晶をサンプル７と称する。

【００７５】各単結晶の透過率測定（その１）続いて、上記のようにして得られたサンプル１〜５につ
いて透過率の測定を行った。すなわち、サンプル１〜５
のアニールされている部分（上部シャフト側の先端部１
３ｍｍ程度）の先端から１０ｍｍ程度の領域を切り出
し、鏡面研磨をし、透過率の測定を行った。上記のよう
に先端から１０ｍｍ程度の領域を切り出すのは、下部シ
ャフト側の雰囲気ガスの交換に影響されている可能性の
ある部分を除去するためである。なお、比較のためにア
ニール処理していない単結晶も比較サンプルとして用意
し、これについても透過率を測定した。

【００７６】各単結晶の透過光の周波数に対する透過率
の変化を図２に示す。図２中実線のみで示される結果が
比較サンプルの結果を示し、図中○がサンプル１の結果
を示し、図中◎がサンプル２の結果を示し、図中△がサ
ンプル３の結果を示し、図中×がサンプル４の結果を示
し、図中□がサンプル５の結果を示す。

【００７７】図２の結果から、赤外線ランプの照射によ
りアニール処理されているサンプル１〜５においては、
アニール処理をしていない比較サンプルよりも透過率が
良好となることがわかった。また、アニール処理時の雰
囲気ガス中の酸素濃度が０．８〜１０％のサンプル１〜
３においては、透過率特性にあまり差がなく良好であ
り、酸素濃度が２０％となるサンプル４は透過率特性が
若干低下し、酸素濃度が１００％となるサンプル５は透
過率特性はかなり良好であることがわかった。しかしな
がら、サンプル５においては、バナジウムが蒸散したよ
うな表面荒れが見られることもわかった。

【００７８】すなわち、上記結果から、本発明の単結晶
の製造方法に従って赤外線ランプの照射によりアニール
処理されて製造される単結晶においては、単結晶の着色
が解消され、光学特性の一種である透過率が大幅に向上
し、光学材料として好適となることが確認された。

【００７９】さらに、アニール処理の際の雰囲気ガス中
の酸素濃度を０．８〜２０％、好ましくは１５％以下と
することにより、製造される単結晶の透過率がさらに向
上することも確認された。

【００８０】各単結晶の透過率測定（その２）続いて、上記のようにして得られたサンプル６，７につ
いて透過率の測定を行った。すなわち、サンプル６，７
のアニールされている部分（上部シャフト側の先端部１
３ｍｍ程度）の先端から１０ｍｍ程度の領域を切り出
し、鏡面研磨をし、透過率の測定を行った。上記のよう
に先端から１０ｍｍ程度の領域を切り出すのは、雰囲気
ガスの交換に影響されている可能性のある部分を除去す
るためである。

【００８１】結果を図３に示す。なお、図３中には上述
の比較サンプルの結果も併せて示すものとし、図３中実
線は比較サンプルの結果を示し、図３中破線はサンプル
６の結果を示し、図中一点鎖線はサンプル７の結果を示
す。

【００８２】図３の結果から、アニール処理の際の雰囲
気ガス中の酸素濃度を零とし、単結晶を移動させたサン
プル６はアニール処理を行わない比較サンプルよりも若
干良好な透過率を示すことがわかった。一方、単結晶を
移動させなかったサンプル７の方がサンプル６よりも透
過率が高くなっていることもわかった。

【００８３】これは、サンプル６においては、単結晶に
アニール処理を施すことにより透過率が若干向上するも
のの、赤外線ランプの電圧が低く、単結晶が昇温され難
い上、単結晶の移動により単結晶の昇温が十分になされ
ておらず、アニール処理が十分ではないのに対し、サン
プル７においては、赤外線ランプの電圧が低くても単結
晶を移動させないことから比較的昇温し易く、アニール
処理が比較的なされているためと考えられる。すなわ
ち、アニール処理の際の条件を工夫することにより、雰
囲気ガス中に酸素が含まれていなくても、単結晶のアニ
ール処理を十分に行い、その着色を解消できることが確
認され、光学特性の一種である透過率が向上し、光学材
料として好適となることが確認された。

【００８４】赤外線ランプの電圧と単結晶の温度の関係続いて、赤外線ランプの電圧と赤外線が照射される単結
晶の温度の関係を調査した。すなわち、上述の単結晶製
造装置の赤外線ランプ３，４の電圧と、赤外線集光加熱
型育成炉２内の赤外線が集光される位置の温度の関係
を、Ｒ型熱電対を用いて調査した。なお、このときの測
定範囲は、室温から１７６０℃までとした。結果を図４
中に○にて示す。

【００８５】しかしながら、本発明においては、バナジ
ン酸イットリウムを母結晶とする単結晶が赤外線を吸収
する性質を利用して単結晶の加熱を行っており、上記熱
電対で測定された温度が実際の単結晶内部の温度を指示
していない可能性がある。

【００８６】そこで、赤外線集光加熱型育成炉内部にＹ
ＶＯよりなる原料棒を配し、原料棒中の赤外線の集光さ
れる位置に穴をあけて熱電対を埋め込んで原料棒内部の
温度を測定した。この結果も図４中に□により併せて示
す。

【００８７】図４の結果からもわかるように、測定中、
赤外線ランプの電圧が低いうちは、熱電対を原料棒内に
配した場合の温度（原料棒内部の温度）は、熱電対のみ
を配した場合の温度よりも上昇が緩やかであった。

【００８８】しかし、赤外線ランプの電圧の上昇に伴っ
て原料棒が変化しだすと同時に、熱電対を原料棒内に配
した場合の温度（原料棒内部の温度）は急激に上昇し
た。そして、このとき、熱電対を原料棒内に配した場合
の温度（原料棒内部の温度）は１８００℃程度を示し
た。なお、上記１８００℃の値は、熱電対のみを配した
場合の温度のデータから予想される外挿入直線上にのる
ものと思われる。すなわち、原料棒が溶融し始める温度
近辺の領域、言い換えればアニール処理を行う温度領域
においては、原料棒内部の温度が熱電対のみを配した場
合の温度と一致することが確認された。

【００８９】従って、これらの結果から、原料棒の径の
大きさ等の形状効果を考慮しても、アニール処理を行う
温度領域においては、熱電対のみの測定温度は単結晶内
部の温度を示すものと考えても良いと思われる。そし
て、アニール処理時の赤外線ランプの電圧が５７．５Ｖ
であるときの単結晶内部の温度は約１４５０℃であり、
赤外線ランプの電圧が６５Ｖであるときの単結晶内部の
温度は約１７５０℃であると思われる。

【００９０】上述の実施例においては、赤外線ランプよ
り照射される赤外線を一点に集光させてアニール処理を
行っているが、上記赤外線を単結晶の長さ方向に直線線
状に集光させて照射するようにすれば、単結晶の移動時
間を短縮することができ、加熱処理を更に短時間で容易
に行うことが可能となる。

【００９１】また、上述の実施例においては、単結晶の
バルクをそのままアニール処理しているが、バルクから
必要な試料を切り出した後、アニール処理を行っても良
い。

【００９２】

【００９３】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の単結晶の製造方法においては、バナジン酸イットリ
ウムを母結晶とする単結晶を製造した後に、上記単結晶
に赤外線ランプを照射して加熱処理し、バナジン酸イッ
トリウムを母結晶とする単結晶が赤外線を吸収する性質
を利用して上記単結晶を加熱するため、該単結晶が短時
間で高温まで昇温され、加熱処理が短時間で容易に行わ
れる。

【００９４】そして、このように加熱処理することから
単結晶の着色が解消され、上記単結晶の光学的特性が向
上する。

【００９５】また、本発明のように単結晶の加熱を赤外
線ランプの照射により行うようにすれば、熱源である赤
外線ランプが比較的安価であることから、加熱処理のコ
ストが比較的安価となる。

【００９６】さらに、加熱処理のための加熱炉を構成す
る場合にも炉材を従来のヒータ環状炉に使用する炉材ほ
どイナーシャの大きいものとする必要がなく、昇温が容
易となり、加熱処理が短時間で容易に行われる。

【００９７】さらにまた、本発明において、加熱処理の
際の雰囲気ガスの酸素濃度が０．８〜２０％とされてい
ると、単結晶の着色がより解消され、上記単結晶の光学
的特性がさらに向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】単結晶製造装置の一構成例を示す模式的に示す
断面図である。

【図２】各単結晶における透過光の波長と透過率の関係
の一例を示す特性図である。

【図３】各単結晶における透過光の波長と透過率の関係
の他の例を示す特性図である。

【図４】赤外線ランプの電圧と温度の関係を示す特性図
である。

【符号の説明】

１−０溶融帯１−１原料棒１−２種結晶２赤外線集光加熱型育成炉３，４赤外線ランプ５上部シャフト６下部シャフト

フロントページの続き (56)参考文献特開平２−14900（ＪＰ，Ａ) 特開平６−177479（ＪＰ，Ａ) 特開平７−17798（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−48380（ＪＰ，Ａ) 特開平３−164492（ＪＰ，Ａ) 特開平５−178685（ＪＰ，Ａ) 特開平８−151298（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−51072（ＪＰ，Ｕ) 実開平２−122069（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】バナジン酸イットリウムを母結晶とする単
結晶を製造した後、加熱処理する単結晶の製造方法にお
いて、前記加熱処理が赤外線ランプの照射により行われ、前記
加熱処理の際の雰囲気ガスの酸素濃度が０．８〜２０％
であることを特徴とする単結晶の製造方法。
【請求項２】前記単結晶が３ｄ電子又は４ｄ電子をもっ
た元素を含有することを特徴とする請求項１記載の単結
晶の製造方法。
【請求項３】前記３ｄ電子又は４ｄ電子をもった元素が
Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｓｍ，Ｎｄ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔ
ｍ，Ｙｂのうち少なくとも１種であることを特徴とする
請求項２記載の単結晶の製造方法。