JP3825127B2 - Single crystal growth method and apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ引下げ法による単結晶の育成方法およびその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
最近、酸化物単結晶を育成する方法として、いわゆるマイクロ引下げ法によって単結晶ファイバーを形成する方法が注目を集めている。「電総研ニュース」1993年7月号(522号)の4〜8頁、特開平4−280891号公報、特開平6−345588号公報には、この方法によってニオブ酸・カリウム・リチウム(K3 Li2-2xNb5+x O15+x、以下、KLNと記載する。)等の単結晶ファイバーを育成した経緯が、開示されている。
【0003】
「電総研ニュース」の前記記事によれば、白金製のセルないしルツボに電力を供給し、抵抗加熱する。このセルの底部に、溶融液の引出し口を形成し、この引出し口の中に、融液フィーダーと呼ばれる棒状体を挿通し、これによって溶融液の引出し口への供給量と、固相液相界面の状態とを共に制御する。溶融液引出し口の口径、フィーダーの太さ、引出し口からのフィーダーの突出長さ等を調整することによって、細径のKLN単結晶ファイバーを連続的に形成している。このμ引下げ法によれば、直径1mm以下の単結晶ファイバーを形成でき、熱歪みの低減、溶融液内の対流の制御、単結晶ファイバーの直径の制御を容易に行うことができ、特に青色第二高調波発生用に適した小型の高品質単結晶を生産できるという特徴を有している。また、同様にして、青色第二高調波発生用デバイス、光通信用導波路デバイス、表面弾性波フィルターデバイス用等に用いられる。LiNbO3 、LiTaO3 等についても、育成が可能であることが知られている。
【0004】
また、マイクロ引下げ法における単結晶育成において、従来は、育成した結晶を冷却する過程について、育成直後の歪みによる冷却クラック等の発生を抑えるために、育成点とその近傍の温度制御(温度勾配やアニール等)をすることについては検討されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えばLiNbO3 、LiTaO3 、KLNの様な強誘電体化合物からなる単結晶ファイバーを育成した場合には、得られた単結晶ファイバーが多分域構造となったり、あるいは偶然に単分域構造となったりして、再現性の良い結果が得られないことが判明した。こうした単結晶ファイバーを使用して第二高調波(SHG)発生素子を製造し、そのSHG発生効率等を評価してみると、全体的に大きな効率が得られなかった。このため、いったん育成した単結晶を、別途に単分域処理することが必要不可欠であった。
【0006】
しかし、強誘電体単結晶に対して単分域処理を施すには、例えばLiNbO3 、LiTaO3 、KLNの粉末を媒介させ、白金板電極により電圧を印加することが必要である。この単分域化処理の間に単結晶の結晶性に劣化が生じる。また、電圧を印加するときの条件によっては、単結晶にクラック等が発生するなどのダメージがある。更に、複雑な単分域化処理のためのプロセスを実施する必要があり、全体の製造装置も複雑になる。
【0007】
本発明の課題は、マイクロ引下げ法によって単結晶を連続的に育成するのに際して、単分域化した単結晶を育成しうるようにすることであり、これによって育成後の単結晶を単分域化する必要をなくすることである。また、これによって、極めて結晶性の良好な単分域化された単結晶が得られるようにすることである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、単結晶材料の溶融物をルツボから引下げつつ、冷却して単結晶を生成させる、単結晶の育成方法であって、前記単結晶の冷却過程で、キュリー点±200℃の温度範囲において前記単結晶に対してその育成方向と垂直に温度勾配を設けることによって、前記単結晶を引き下げるのと共に連続的に単分域化させることを特徴とする、単結晶の育成方法に係るものである。
【0009】
また、本発明は、単結晶材料の溶融物を収容し、かつ前記溶融物を引き下げるための引出し口を備えているルツボと、前記ルツボ内の前記単結晶材料を溶融させるための溶融加熱機構と、このルツボから前記単結晶を引き下げるための駆動機構とを備えている単結晶の育成装置であって、キュリー点±200℃の温度範囲において前記単結晶に対してその育成方向と垂直に温度勾配を設けるための温度制御機構を備えていることを特徴とする、単結晶の育成装置に係るものである。
【0010】
本発明者は、マイクロ引下げ法によってLiNbO3 、LiTaO3 、KLN等の単結晶ファイバーを育成する実験、更には特開平8−259375号公報において開示したように、マイクロ引下げ法によってLiNbO3 、LiTaO3 、KLN等の単結晶プレートを連続的に育成するための実験を行ってきた。この研究の過程において、製造条件を一定にして実験を行っても、単結晶ファイバーやプレートの内部が多分域化したり、あるいはほとんど単分域化したりして、その分域構造が一定しないことを発見した。
【0011】
本発明者はこの原因を突き止めるべく研究を重ねていたが、ルツボの引出し口から引き下げられた溶融物が冷却されて固化し、更に下方へと引き下げられる過程で、キュリー温度を通過するが、特にこの温度領域で単結晶の周囲の温度が一定しないことが原因であるとの着想を得た。つまり、このときに単結晶内にある程度の温度勾配が発生していると、この温度勾配に従って単分域化が進行し、単結晶内部における温度勾配が少ないか、あるいは存在しないときには、ランダムに分域構造が発生して多分域構造が生成するものと推定した。
【0012】
この推定に基づき、実際に少なくともキュリー温度の近辺で、単結晶内に温度勾配が生ずるような条件で加熱機構を制御してみると、単結晶が常に一定して単分域化することを発見し、本発明に到達した。
【0013】
具体的には、単結晶それ自体の内部の温度勾配を制御するために、引き下げられている状態の単結晶の、前記引き下げ方向(育成方向)に対して略垂直な方向において、前記単結晶の両面の温度差が10℃以上となるようにすることによって、安定して単分域構造の単結晶を育成できることを見出した。つまり、育成された単結晶プレート等の、育成方向と垂直な両面に、10℃以上の温度差をつけるようにキュリー点付近の温度勾配を制御することにより、低温側がマイナス面で高温側がプラス面である単分域構造の単結晶が得られることを見いだした。この観点からは、更にこの温度差を50℃以上とすることが好ましい。
【0014】
一方、この温度差を300℃以下とすることによって、単結晶の内部の応力による結晶性の劣化やクラックの発生を防止することができる。この観点から一層単結晶の結晶性を向上させるためには、この温度差を200℃以下とすることが好ましい。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の方法および装置は、ファイバー状の単結晶とプレート状の単結晶との双方に対して適用できる。ただし、ファイバー状の単結晶よりも、板状ないしプレート状の単結晶の方が、単分域化が一層確実に進行していた。具体的には、所定条件の下では、育成された単結晶プレートの両面が一層高い確実性、信頼性をもって、マイナスの分極となることがわかった。
【0016】
本発明は、固溶体単結晶を製造する場合に、特に適している。固溶体単結晶としては、例えば、LiNbO3 、LiTaO3 、Li(Nb、Ta)O3 、KLN(K3 Li2-2xNb5+x O15+x)、KLTN〔K3 Li2-2x(Tay Nb1-y )5+x O15+x〕、Ba1-X SrX Nb2 O6 を中心としたタングステンブロンズの構造を例示することができる。
【0017】
LiNbO3 、LiTaO3 、KLN単結晶は、最近、光材料として注目を集めており、特に半導体レーザー用の青色光第二高調波発生(SHG)素子用の単結晶として注目されている。これは、390nmの紫外光領域まで発生することが可能であるので、こうした短波長の光を利用することで、光ディスクメモリー用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。
【0018】
また、本発明は、組成偏析する酸化物単結晶の育成に対して適用できる。例えば、LiNbO3 に対してネオジムを固溶させる場合、その偏析係数が1でないことによって、溶融物の組成におけるネオジムの量よりも少ない量のネオジムしか単結晶中に入らない。例えば、溶融物内では1.0モル程度のネオジムが含有されていても、単結晶中には0.3モル程度しか入らない。しかし、溶融物をノズル部内で急速に冷却することによって、偏析を招くことなく、溶融物の組成と同様の組成を有する単結晶を製造することができる。これは、他のレーザー単結晶、例えば、Nd、Er、Ybによって置換されたYAG、Nd、Er、Ybによって置換されたYVO4 に対しても、適用することができる。
【0019】
本発明において、単結晶、特には酸化物単結晶の育成方法は、マイクロ引下げ法であれば特に限定はされない。ただし、育成装置が、キュリー点付近において、単結晶に温度勾配を設けるための温度制御機構を備えていることが必要である。こうした単結晶のキュリー点付近における温度制御は、具体的にはキュリー点±150℃の範囲内で実施する必要がある。こうした温度制御機構も特に限定はされないが、量産性の観点からは次のものを好適に例示できる。
【0020】
(1)育成炉の下部の冷却ゾーンにおいて、単結晶プレートの左右にそれぞれヒーターを設ける。各ヒーターにおいては、それぞれヒーターの上下方向における各部分の温度勾配を、自由に設定できる構造とする。
【0021】
(2)育成炉の下部の冷却ゾーンにおいて、単結晶プレートの左右にそれぞれヒーターを設ける。そして、単結晶の一方の面側では、このヒーターの外側に補助ヒーターを設け、補助ヒーターを発熱させることによって、単結晶の一方の面側の温度を、これと反対側の他方の面側の温度よりも10℃以上高くする。
【0022】
(3)育成炉の下部の冷却ゾーンにおいて、単結晶プレートの左右にそれぞれヒーターを設ける。ヒーターと単結晶の一方の面側との間隔を相対的に小さくし、ヒーターと単結晶とを近づける。これと共に、ヒーターと単結晶の他方の面側との間隔を相対的に大きくし、ヒーターと単結晶とを遠ざける。これによって、単結晶の一方の面側の温度を、これと反対側の他方の面側の温度よりも10℃以上高くする。
【0023】
なお、単結晶ファイバーの場合にも(1)〜(3)の方法を採用できる。
【0024】
【実施例】
以下、図面を参照しつつ、更に詳細に本発明の実施例を説明する。図1は、単結晶育成用の製造装置を示す概略断面図である。
【0025】
炉体の内部には、ルツボ7が設置されている。ルツボ7およびその上側空間5を包囲するように、上側炉1が設置されており、上側炉1内にはヒーター2が埋設されている。ルツボ7の下端部から下方向へと向かってノズル部13が延びており、ノズル部13の下端部に引出し口13aが形成されている。ノズル部13およびその周囲の空間6を包囲するように下側炉3が設置されており、下側炉3の中にヒーター4が埋設されている。ルツボ7およびノズル部13は、いずれも耐食性の導電性材料によって形成されている。むろんこの加熱炉の形態自体は、種々変更することができ、例えば図1においては加熱炉を2ゾーンに分割しているが、加熱炉を3ゾーン以上に分割することもできる。
【0026】
ルツボ7の位置Aに対して、電源10の一方の電極が電線9によって接続されており、ルツボ7の下端Bに対して、電源10の他方の電極が接続されている。ノズル部13の位置Cに対して、電源10の一方の電極が電線9によって接続されており、ノズル部13の下端Dに対して他方の電極が接続されている。これらの各通電機構は、共に分離されており、独立してその電圧を制御できるように構成されている。
【0027】
ルツボ7内で、取り入れ管11が上方向へと向かって延びており、この取り入れ管11の上端に取り入れ口22が設けられている。この取り入れ口22は、溶融物8の底部から若干突き出している。この溶融物の取り入れ口は、ルツボの底部から突き出さないように、ルツボの底に形成することもできる。この場合には、取り入れ管11は設けない。ノズル部13を包囲するように、間隔を置いて、空間6内にアフターヒーターを設けることができる。
【0028】
上側炉1、下側炉3およびアフターヒーターを発熱させて空間5、6の温度分布を適切に定め、溶融物の原料をルツボ7内に供給し、ルツボ7およびノズル部13に電力を供給して発熱させる。この状態では、ノズル部13の下端部にある単結晶育成部18では、開口13aから溶融物が僅かに突出し、その表面張力によって保持されて、比較的に平坦な表面が形成されている。
【0029】
この結果、種結晶15の上側に単結晶プレート14が連続的に形成され、下方向へと向かって引き出されてくる。本実施例では、この種結晶15および単結晶プレート14を、ローラー16によって送っている。
【0030】
単結晶プレート14は、ノズル部13から下へと向かうのにつれて冷却されていくが、本実施例では、更に単結晶プレート14の両側にヒーター12A、12Bが設置されている。この領域を通過する間の単結晶プレート14の温度は、通常キュリー温度±200℃以内、好ましくは150℃以内となるように設定されている。各ヒーター12A、12Bの各温度を制御することによって、単結晶14の一方の面14aと14bとの温度差を前記のように調整する。
【0031】
図2(a)はこの単結晶14の側面図であり、図2(b)は平面図である。このプレート14は、例えば、矢印E方向へと単分域化した状態で育成される。
【0032】
なお、図1において単結晶ファイバー20を育成させた場合にも、図2(c)に示すようにファイバー20内で矢印E方向へと単分域化する。
【0033】
図3は、他の実施例に係る製造装置を概略的に示す概略断面図である。図1の装置と同じ部分には同じ符号を付け、その説明は省略する。また、図1に示した上側炉、下側炉といった周辺部分は、図3においては図示を省略した。図3の装置においては、ルツボ7の上端Fと略中央部Gとに対して、電源10Aの電極が接続されており、ルツボ7の略中央部Gと下端部Hとに対して、電源10Bの電極が接続されており、ルツボ7の下端部Hとノズル部の上端部Iとに対して、交流電源10Cの電極が接続されている。ノズル部13に対しては、交流電源10Dが接続されている。これらの各通電機構は、共に分離されており、独立してその電圧を制御できるように構成されている。
【0034】
単結晶プレート14は、ノズル部13から下へと向かうのにつれて冷却されていくが、本実施例では、更に単結晶プレート14の両側にヒーター12A、12Bが設置されている。この領域を通過する間の単結晶プレート14の温度は、通常キュリー温度±200℃以内、好ましくは150℃以内となるように設定されている。更にヒーター12Aの外側に補助ヒーター19を設けてある。各ヒーター12A、12B、19の各温度を制御することによって、単結晶14の一方の面14aと14bとの温度差を前記のように調整する。
【0035】
また、図4は、本発明の他の実施例に係る装置を示す模式的断面図であり、図3に示した部材と同じ部材には同じ符号を付ける。単結晶プレート14の両側にヒーター25A、25Bが設置されている。この領域を通過する間の単結晶プレート14の温度は、通常キュリー温度±200℃以内、好ましくは150℃以下となるように設定されている。単結晶プレート14の一方の面14a側では、プレート14とヒーター25Aとの距離mを相対的に小さくし、プレート14の他方の面14b側では、プレート14とヒーター25Bとの距離lを相対的に大きくする。これによって、面14aと面14bとの温度差を一定範囲に調節することができる。
【0036】
次に、単結晶プレートを製造するために特に好適なノズル部の形態について説明する。本発明者は、μ引下げ法において、ノズル部の先端に、単結晶プレートの横断面に対応する平面形状の平坦面を形成し、このノズル部に複数列の溶融物流通孔を形成し、各溶融物流通孔から同時に溶融物を引き下げ、各流通孔から引き下げられた溶融物を平坦面に沿って一体化することによって単結晶プレートを形成できることを確認した。
【0037】
この態様においては、ノズル部の全体を平板形状とすることができる。また、管状のノズル部の先端に拡張部を設け、この拡張部の先端面を前記のような平坦面とすることができる。または、ノズル部を複数の管状部材によって構成し、各管状部材を互いに接合して一体化し、各管状部材の先端面によって一体の平坦面を形成することができる。
【0038】
【実施例1】
以下、更に具体的な実験結果について述べる。
図1に示すような単結晶製造装置を使用し、本発明に従って、LiNbO3 単結晶プレート14を製造した。上側炉1と下側炉3とによって炉内全体の温度を制御した。ノズル部13に対する電力供給とアフターヒーターの発熱とによって、単結晶育成部18近辺の温度勾配を制御できるように構成した。単結晶プレート14の引下げ機構としては、垂直方向に2〜100mm/時間の範囲内で、引下げ速度を均一に制御しながら、単結晶プレート14を引き下げる機構を搭載した。
【0039】
炭酸リチウムおよび酸化ニオブを、50:50の組成比率で調合して原料粉末を製造した。この原料粉末約50gを、白金製のルツボ7内に供給し、このルツボ7を所定位置に設置した。上側炉1内の空間5の温度を1250〜1350℃の範囲に調整し、ルツボ7内の原料を融解させた。下側炉3内の空間6の温度は、700℃〜1000℃に制御した。ルツボ7、ノズル部13およびアフターヒーターに対して所定の電力を供給し、単結晶成長を実施した。この際、単結晶育成部の温度を1200℃〜1300℃とすることができ、単結晶育成部における温度勾配を10〜150℃/mmに制御することができた。
【0040】
ノズル部13の外側の横断面の形状は長方形とし、その寸法は1.0mm×30mmとした。ノズル部13の長さは20mmとした。ノズル部13内に溶融物流通孔を30個設けた。各溶融物流通孔の直径は0.2mmとした。ルツボ7の平面形状は円形とし、その直径は30mmとし、その高さは30mmとした。
【0041】
単結晶プレート14の面14aと14bとの温度差を50℃に設定した。幅50mm、厚さ1.0mmの単結晶プレートを、20mm/時間の速度でa軸方向に引き下げた。1150℃付近から1000℃付近まで冷却する80mmの冷却ゾーンを設け、育成速度20mm/時間で約4時間かけてこのゾーンを通過させた。
【0042】
また、この単結晶プレートを、フッ化水素酸と硝酸との3:1混合液で、180℃で1時間、加熱分解した。この結果、プラス側が全くエッチングされていないのに対し、マイナス側が約10μmエッチングされており、結晶性の悪い部分ではエッチピットが認められた。この結果、完全な単分域の結晶が得られていることを確認した。
【0043】
また、このLiNbO3 単結晶のSHG発生効率を測定したところ、従来の単分域化処理を施した単結晶と比較して、約30%向上していた。この原因としては、基板の歪みの減少、例えばX線ロッキングカーブが半値幅で約20%小さくなって結晶性が向上したことが関連している。
【0044】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、マイクロ引下げ法によって単結晶を連続的に育成するのに際して、単分域化した単結晶を育成でき、育成後の単結晶の単分域化処理を不要にできる。これによって、極めて結晶性の良好な単分域化された単結晶が得られるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る、単結晶育成用の製造装置を示す概略断面図である。
【図2】(a)は、単結晶プレート14の側面図であり、(b)は単結晶プレート14の平面図であり、(c)は、単結晶ファイバー20の断面図である。
【図3】本発明の他の実施例に係る単結晶育成用の製造装置の要部を示す概略断面図である。
【図4】本発明の更に他の実施例に係る単結晶育成用の製造装置の要部を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1 上側炉,2 上側炉1のヒーター,3 下側炉,4 下側炉3のヒーター,7 ルツボ,10、10A、10B、10C、10D 電源,12A、12B 2ゾーンヒーター,13 ノズル部,13a 引出し口,14 単結晶プレート,15 種結晶,18 単結晶育成部,20 単結晶ファイバー,19 補助ヒーター,25、25A ヒーター[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for growing a single crystal by a micro pulling method and an apparatus therefor.
[0002]
[Prior art]
Recently, as a method for growing an oxide single crystal, a method of forming a single crystal fiber by a so-called micro-pulling-down method has attracted attention. "Electrotechnical News" July 1993 (No. 522), pages 4-8, JP-A-4-280891 and JP-A-6-345588 disclose niobate, potassium, lithium (K 3 Li) by this method. 2-2x Nb 5 + x O 15 + x (hereinafter referred to as KLN)) and the like have been disclosed.
[0003]
According to the above article of “Electrotechnical News”, electric power is supplied to a platinum cell or crucible and resistance heating is performed. A melt outlet is formed at the bottom of the cell, and a rod-like body called a melt feeder is inserted into the outlet, thereby supplying the melt to the outlet and the solid phase liquid phase. Control both the state of the interface. By adjusting the diameter of the melt outlet, the thickness of the feeder, the protruding length of the feeder from the outlet, etc., a small-diameter KLN single crystal fiber is continuously formed. According to this μ pulling-down method, a single crystal fiber having a diameter of 1 mm or less can be formed, heat distortion can be reduced, convection in the melt can be easily controlled, and the diameter of the single crystal fiber can be easily controlled. It is characterized by the ability to produce small high-quality single crystals suitable for second harmonic generation. Similarly, it is used for blue second harmonic generation devices, optical communication waveguide devices, surface acoustic wave filter devices, and the like. It is known that LiNbO 3 , LiTaO 3 and the like can also be grown.
[0004]
Also, in single crystal growth in the micro-pulling down method, conventionally, in the process of cooling the grown crystal, in order to suppress the occurrence of cooling cracks due to strain immediately after the growth, temperature control (temperature gradient and Annealing etc. are being studied.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, for example, when a single crystal fiber made of a ferroelectric compound such as LiNbO 3 , LiTaO 3 , or KLN is grown, the obtained single crystal fiber has a multidomain structure, or it happens to be a single domain structure. As a result, it was found that results with good reproducibility could not be obtained. When such a single crystal fiber was used to produce a second harmonic (SHG) generating element and the SHG generation efficiency and the like were evaluated, overall efficiency could not be obtained. For this reason, it was indispensable to separately treat the single crystal once grown.
[0006]
However, in order to perform single-domain processing on a ferroelectric single crystal, it is necessary to apply a voltage by a platinum plate electrode, for example, by mediating LiNbO 3 , LiTaO 3 , or KLN powder. During this single domain treatment, the crystallinity of the single crystal is degraded. In addition, depending on the conditions for applying the voltage, there is damage such as cracking in the single crystal. Furthermore, it is necessary to perform a complicated process for single domain processing, and the entire manufacturing apparatus is also complicated.
[0007]
An object of the present invention is to be able to grow single-domain single crystals when continuously growing single crystals by the micro-pulling-down method. It is to eliminate the need for conversion. Further, this is to obtain a single-domain crystal having very good crystallinity.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a method for growing a single crystal, wherein a single crystal is formed by cooling the melt of the single crystal material from the crucible, and the temperature range of the Curie point is ± 200 ° C. during the cooling process of the single crystal. In the method for growing a single crystal, wherein the single crystal is lowered and continuously made into a single domain by providing a temperature gradient perpendicular to the growth direction with respect to the single crystal. is there.
[0009]
The present invention also includes a crucible containing a melt of a single crystal material and provided with a drawing port for pulling down the melt, and a melting heating mechanism for melting the single crystal material in the crucible. A single crystal growth apparatus comprising a drive mechanism for pulling down the single crystal from the crucible, wherein the temperature gradient is perpendicular to the growth direction with respect to the single crystal in a temperature range of Curie point ± 200 ° C. The present invention relates to an apparatus for growing a single crystal, characterized in that a temperature control mechanism is provided for providing
[0010]
The present inventor has conducted experiments for growing single crystal fibers such as LiNbO 3 , LiTaO 3 , and KLN by the micro-pulling-down method, and further disclosed LiNbO 3 , LiTaO 3 by the micro-pulling-down method as disclosed in JP-A-8-259375. Experiments have been conducted to continuously grow single crystal plates such as KLN. In the course of this research, even if the experiment was conducted under the same manufacturing conditions, the inside of the single crystal fiber or plate was divided into multiple domains or almost single domains, and the domain structure was not constant. discovered.
[0011]
The present inventor has been researching to find out the cause of this, but in the process where the melt lowered from the crucible outlet is cooled and solidified, and further lowered downward, it passes the Curie temperature. The idea was that the temperature around the single crystal was not constant in this temperature range. In other words, if a certain temperature gradient is generated in the single crystal at this time, single-domaining proceeds according to this temperature gradient, and if the temperature gradient in the single crystal is small or does not exist, it is randomly divided. It is presumed that a domain structure occurs and a multidomain structure is generated.
[0012]
Based on this estimation, it was discovered that when the heating mechanism was controlled under conditions that would cause a temperature gradient in the single crystal, at least in the vicinity of the Curie temperature, the single crystal would always be in a single domain. And the present invention has been reached.
[0013]
Specifically, in order to control the temperature gradient inside the single crystal itself, the single crystal in the pulled state is in a direction substantially perpendicular to the pulling direction (growing direction) of the single crystal. It has been found that a single crystal having a single domain structure can be stably grown by making the temperature difference between both
[0014]
On the other hand, by setting the temperature difference to 300 ° C. or less, it is possible to prevent the deterioration of crystallinity and the generation of cracks due to the internal stress of the single crystal. From this viewpoint, in order to further improve the crystallinity of the single crystal, it is preferable that the temperature difference is 200 ° C. or less.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The method and apparatus of the present invention can be applied to both fiber-like single crystals and plate-like single crystals. However, the single domain has progressed more reliably in the plate-like or plate-like single crystal than in the fiber-like single crystal. Specifically, it has been found that, under predetermined conditions, both sides of the grown single crystal plate are negatively polarized with higher certainty and reliability.
[0016]
The present invention is particularly suitable when producing a solid solution single crystal. Examples of the solid solution single crystal include LiNbO 3 , LiTaO 3 , Li (Nb, Ta) O 3 , KLN (K 3 Li 2-2x Nb 5 + x O 15 + x ), and KLTN [K 3 Li 2-2x ( Ta y Nb 1-y ) 5 + x O 15 + x ], Ba 1-X Sr X Nb 2 O 6
[0017]
LiNbO 3 , LiTaO 3 , and KLN single crystals have recently attracted attention as optical materials, and in particular as single crystals for blue light second harmonic generation (SHG) elements for semiconductor lasers. This can be generated up to the 390 nm ultraviolet region, so by using such short wavelength light, a wide range of applications such as optical disk memory, medical use, photochemistry use, and various optical measurement applications are possible. is there.
[0018]
The present invention can also be applied to growth of oxide single crystals that undergo compositional segregation. For example, when neodymium is dissolved in LiNbO 3 , since the segregation coefficient is not 1, only a smaller amount of neodymium than the amount of neodymium in the composition of the melt enters the single crystal. For example, even if about 1.0 mol of neodymium is contained in the melt, only about 0.3 mol is contained in the single crystal. However, by rapidly cooling the melt in the nozzle portion, a single crystal having the same composition as that of the melt can be produced without causing segregation. This can also be applied to other laser single crystals, for example, YVO 4 substituted with Nd, Er, Yb, or YVO 4 substituted with Nd, Er, Yb.
[0019]
In the present invention, the method for growing a single crystal, particularly an oxide single crystal, is not particularly limited as long as it is a micro pulling method. However, it is necessary that the growth apparatus includes a temperature control mechanism for providing a temperature gradient in the single crystal in the vicinity of the Curie point. Such temperature control in the vicinity of the Curie point of the single crystal needs to be carried out specifically within the range of the Curie point ± 150 ° C. Such a temperature control mechanism is not particularly limited, but the following can be preferably exemplified from the viewpoint of mass productivity.
[0020]
(1) In the cooling zone at the bottom of the growth furnace, heaters are provided on the left and right sides of the single crystal plate, respectively. Each heater has a structure in which the temperature gradient of each part in the vertical direction of the heater can be freely set.
[0021]
(2) Heaters are provided on the left and right sides of the single crystal plate in the cooling zone at the bottom of the growth furnace. And on one surface side of the single crystal, an auxiliary heater is provided outside the heater, and the auxiliary heater generates heat, whereby the temperature of one surface side of the single crystal is changed to the other surface side opposite to this. Increase the temperature by 10 ° C. or more.
[0022]
(3) In the cooling zone at the bottom of the growth furnace, heaters are provided on the left and right sides of the single crystal plate, respectively. The distance between the heater and one side of the single crystal is made relatively small, and the heater and the single crystal are brought closer to each other. At the same time, the distance between the heater and the other surface of the single crystal is relatively increased, and the heater and the single crystal are moved away from each other. As a result, the temperature on one side of the single crystal is made 10 ° C. or higher than the temperature on the other side opposite to this.
[0023]
In the case of a single crystal fiber, the methods (1) to (3) can be adopted.
[0024]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing a manufacturing apparatus for growing a single crystal.
[0025]
A
[0026]
One electrode of the
[0027]
In the
[0028]
The
[0029]
As a result, the
[0030]
The
[0031]
2A is a side view of the
[0032]
In addition, even when the
[0033]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing a manufacturing apparatus according to another embodiment. The same parts as those in the apparatus of FIG. Further, the peripheral parts such as the upper furnace and the lower furnace shown in FIG. 1 are not shown in FIG. In the apparatus of FIG. 3, the electrode of the
[0034]
The
[0035]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an apparatus according to another embodiment of the present invention, and the same members as those shown in FIG.
[0036]
Next, the form of the nozzle part that is particularly suitable for manufacturing a single crystal plate will be described. In the μ pulling-down method, the present inventor forms a planar flat surface corresponding to the cross section of the single crystal plate at the tip of the nozzle part, and forms a plurality of rows of melt flow holes in the nozzle part. It was confirmed that a single crystal plate could be formed by simultaneously pulling down the melt from the melt flow holes and integrating the melt pulled down from the flow holes along the flat surface.
[0037]
In this aspect, the whole nozzle part can be made into a flat plate shape. In addition, an extension portion can be provided at the tip of the tubular nozzle portion, and the tip surface of the extension portion can be a flat surface as described above. Alternatively, the nozzle portion can be constituted by a plurality of tubular members, and the tubular members can be joined together to form an integrated flat surface by the distal end surfaces of the tubular members.
[0038]
[ Example 1 ]
Hereinafter, more specific experimental results will be described.
A single crystal production apparatus as shown in FIG. 1 was used to produce a LiNbO 3
[0039]
Lithium carbonate and niobium oxide were blended at a composition ratio of 50:50 to produce a raw material powder. About 50 g of this raw material powder was supplied into a
[0040]
The shape of the cross section outside the
[0041]
The temperature difference between the
[0042]
The single crystal plate was thermally decomposed with a 3: 1 mixture of hydrofluoric acid and nitric acid at 180 ° C. for 1 hour. As a result, the positive side was not etched at all, whereas the negative side was etched by about 10 μm, and etch pits were observed in the portion with poor crystallinity. As a result, it was confirmed that a complete single-domain crystal was obtained.
[0043]
Further, when the SHG generation efficiency of this LiNbO 3 single crystal was measured, it was improved by about 30% compared with the single crystal subjected to the conventional single domain treatment. The cause is related to a decrease in distortion of the substrate, for example, an X-ray rocking curve is reduced by about 20% in half width and crystallinity is improved.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when a single crystal is continuously grown by the micro-pulling down method, a single-domained single crystal can be grown, and the single-domain processing of the grown single crystal can be performed. It can be made unnecessary. As a result, a single-domain single crystal having extremely good crystallinity can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing apparatus for growing a single crystal according to an embodiment of the present invention.
2A is a side view of the
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a main part of a manufacturing apparatus for growing a single crystal according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic sectional view showing a main part of a manufacturing apparatus for growing a single crystal according to still another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
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