JP4304424B2 - 希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造方法およびその製造方法により得られる希土類珪酸塩単結晶インゴット - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、シンチレ−タ等に用いられる希土類珪酸塩単結晶の製造方法およびその製造方法により得られる希土類珪酸塩単結晶のインゴットに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電子機器等に用いられる単結晶の製造は、原料の入ったルツボを高周波誘導により加熱して原料を融液とし、その融液に種結晶を接触させ、種結晶を徐々に引上げながら単結晶を成長させる方法が、よく知られている。(特許文献1、2参照)
【0003】
【特許文献1】
特開平9−286695号公報
【特許文献2】
特開2000−053491号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法で、例えばセリウム賦活珪酸ガドリニウム単結晶インゴットのように結晶系が単斜晶系に属するような異方性の高い単結晶インゴットを得ようとした場合、冷却中に結晶にクラックが発生したり、直胴部の扁平度が高いインゴットになってしまい、そのインゴットを使用して、例えばシンチレータ素子を作製する場合に、性能や生産性が著しく悪くなるという問題がある。本発明はこのような欠点を解決することのできる希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造方法およびその製造方法により得られる希土類珪酸塩単結晶インゴットを提供する事を目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高周波誘導加熱によるチョクラルスキー法による希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造方法において、ルツボ上端にルツボと同じ材質でできたリングを設置し、該結晶の引上げ時と、該結晶引上げ後の冷却時において、ルツボに対するワークコイル位置を変化させることを特徴とする希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造方法、およびその製造方法によって育成される、直胴部の扁平度が0.1以下でありクラックの無いことを特徴とする希土類珪酸塩単結晶インゴットに関するものである。
すなわち、本発明者らは得られたインゴットを使用して、例えばシンチレータ素子を作製する場合に、その性能や生産性を低下させない単結晶インゴットについて種々検討した結果、クラックが無く、しかも直胴部の扁平度が0.1以下のインゴットを使用すると、その性能や生産性を低下させることがなくなることを見出すとともに、このクラックが無く、しかも直胴部の扁平度が0.1以下のインゴットは、該インゴットをチョクラルスキー法で製造する際に、ルツボ上端にルツボと同じ材質でできたリングを設置し、該結晶のコーン部の引上げ時にはリング上端に対してワークコイル上端が10mm以上高い位置とし、該結晶引上げ後の冷却時にはリングに対してワークコイル上端が同じ高さか低い位置とすることで作製することができる事を見出し、本発明を完成させた。
【0006】
【発明の実施の形態】
本発明はクラックの発生が無く直胴部の扁平度が0.1以下の希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造方法およびその製造方法により得られた希土類珪酸塩単結晶インゴットに関するものである。
【0007】
希土類珪酸塩単結晶インゴットから、例えばシンチレータ素子を作製する場合、そのインゴットにクラックが存在すると、シンチレータ素子の発光が検出器に届くまでの損失が増大し、性能が劣るが、本発明により得られるクラックの無い希土類珪酸塩単結晶インゴットを使用することで解決される。
【0008】
インゴットの直胴部の扁平度が大きいと、インゴットから例えばシンチレータ素子を作製する際の加工ロスが増大するが、本発明によって得られる直胴部の扁平度が0.1以下の希土類珪酸塩単結晶インゴットを使用することで解決される。
すなわち、このクラックの発生が無く直胴部の扁平度が0.1以下の希土類珪酸塩単結晶インゴットは後記する改良されたチョクラルスキー法で得られるのであるが、この方法で作製されるインゴットを使用して、例えばシンチレータ素子を作製する場合、シンチレータ素子の発光が検出器に届くまでの損失を増大させること無く、また、加工ロスを増大させることも無いという有利性が与えられる。
【0009】
本発明の希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造は、図1、図2に示すように高周波誘導加熱によるチョクラルスキー法によって行なわれる。図1、図2はチョクラルスキー法による結晶引上げ装置の縦断図であり、図1は結晶のコーン部引上げ時のルツボおよびルツボ上端に設置したルツボと同じ材質のリングとワークコイルの相対位置を示し、図2は該結晶引上げ後の冷却時のルツボおよびルツボ上端に設置したルツボと同じ材質のリングとワークコイルの相対位置を示す。
図1、図2に示した希土類珪酸塩単結晶インゴット引上げ装置はワークコイルを有する加熱炉の中にルツボを収納し、このルツボの中に目的とする希土類珪酸塩単結晶を構成する金属酸化物を仕込み、これをワークコイルからの加熱によって融液とした後、これに種結晶を浸し引上げることによって単結晶を引上げるようにしたものであるが、該結晶のコーン部の引上げでは図1に示したようにワークコイルの上端(w)がルツボ上に設置されたルツボと同じ材質のリングの上端(c)よりも10mm以上高い位置であるようにし、結晶の直胴部の引上げ時にはルツボに対してワークコイルを徐々に降下させ、そして該結晶引上げ後の冷却中には図2に示したようにワークコイルの上端(w)がルツボ上に設置されたルツボと同じ材質のリングの上端(c)と同じ高さかそれよりも下に位置するようにする。
【0010】
このチョクラルスキー法による希土類珪酸塩単結晶インゴットのコーン引上げ時におけるワークコイルの位置はワークコイル上端(w)がルツボ上に設置されたルツボと同じ材質のリングの上端(c)よりも10mm以上高い位置とする事が好ましい。このようにすると、目的とする希土類珪酸塩単結晶インゴットのコーン引上げ時にはルツボ上に設置されたルツボと同じ材質のリングがワークコイルからの高周波により加熱されることにより、希土類珪酸塩単結晶のような結晶の異方性の高い結晶でも、結晶が扁平になることなく育成でき、直胴部での扁平度が0.1以下の単結晶インゴットを容易に得る事ができる様になる。
【0011】
また、このチョクラルスキー法による希土類珪酸塩単結晶インゴットの冷却時におけるワークコイルの位置はワークコイル上端(w)がルツボ上に設置されたルツボと同じ材質のリングの上端(c)と同じか低い位置とする事が好ましい。このようにすると、ルツボ上に設置されたルツボと同じ材質のリングがワークコイルからの高周波により加熱されることが無くなり、冷却中の希土類珪酸塩単結晶インゴットの一部が局部的に加熱されることがなくなるため、希土類珪酸塩単結晶のようにクラックの発生しやすい単結晶でもクラックの発生を防止でき、クラックの発生しない単結晶インゴットを得る事ができる様になる。
【0012】
本発明の希土類珪酸塩単結晶は、一般式A2xSiyO3X + 2y(Aは希土類元素、例えばY, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Luから選択される元素、またはこれらの元素の混合、例えば(CezGd1 - z)等である。ここで、x, yは自然数、zは0以上1以下の実数。)で示される。以上の希土類珪酸塩単結晶は、珪酸ガドリニウム単結晶の結晶構造と同じ結晶構造を持ち、その構造は空間群P21/cに属する。
【0013】
また、扁平度とは、図3、図4に示すように、楕円の長直径をa、短直径をbとした時、aとbの差を算出し、それをaで割った数値である。すなわち、扁平度が0.1以下とは(a−b)/a≦0.1であるということを示す。
【0014】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。原料として酸化ガドリニウム(Gd2O3、99.99重量%)、二酸化珪素(SiO2、99.99重量%)、及び酸化セリウム(CeO2、99.99重量%)を使用した。なお、本実施例は好適な一例を示すもので、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0015】
(実施例1)
ルツボの内径180mm、高さ180mm、厚さ3mmのイリジウム製ルツボの上に外径186mm、内径135mm、厚さ2mmのイリジウム製リングを設置し、中にGd2O3を20,489.1g、CeO2を97.8g、SiO2を3,413.1gの混合物を合計で24,000g仕込み、高周波誘導加熱炉で1,950℃に加熱し、融解してCe0.01Gd1.99SiO5融液を得た。
【0016】
ワークコイル上端をルツボ上のリング上端に対し30mm高い位置とし、この位置で種付けを行い、結晶引上げ速度1.5mm/hの速度でネック径8mmの単結晶を引上げてネック部を形成した後、コーン部の引上げを同一速度で行い、直径が105mmになった時点で直胴部の引上げを開始した。直胴部の引上げ中にワークコイルを徐々に降下させ、直胴部の引上げの終了時にワークコイル上端をルツボ上のリング上端に対し10mm低い位置とした。その後、ワークコイルの降下を停止し、この位置で結晶の冷却を行った。
【0017】
冷却終了後、得られた単結晶インゴットを取り出した。得られた単結晶インゴットは、結晶重量17,513g、コーン部の長さ70mm、直胴部の長さ255mm、直胴部の上端の長直径が104.7mm、短直径が104.4mm、直胴部の中間部分の長直径が104.7mm、短直径が103.7mm、直胴部の下端の長直径が108.7mm、短直径が106.3mmであり、直胴部の全部分で扁平度が0.1以下であった。また、クラックの発生もなかった。
【0018】
(比較例1)
ルツボの内径180mm、高さ180mm、厚さ3mmのイリジウム製ルツボの上に外径186mm、内径135mm、厚さ2mmのイリジウム製リングを設置し、中にGd2O3を20,489.1g、CeO2を97.8g、SiO2を3,413.1gの混合物を合計で24,000g仕込み、高周波誘導加熱炉で1,950℃に加熱し、融解してCe0.01Gd1.99SiO5融液を得た。
【0019】
ワークコイル上端をルツボ上のリング上端に対し30mm高い位置とし、この位置で種付けを行い、結晶引上げ速度1.5mm/hの速度でネック径8mmの単結晶を引上げてネック部を形成した後、コーン部の引上げを同一速度で行い、直径が100mmになった時点で直胴部の引上げを開始した。ワークコイル位置を固定したまま直胴部を引上げ、ワークコイル上端をルツボ上のリング上端に対し30mm高い位置のまま結晶の冷却を行った。
【0020】
冷却終了後、得られた単結晶インゴットを取り出した。単結晶インゴットは、ルツボ上のリングに近い部分で冷却された部分にクラックが発生していた。
【0021】
(比較例2)
ルツボの内径180mm、高さ180mm、厚さ3mmのイリジウム製ルツボの上に外径186mm、内径135mm、厚さ2mmのイリジウム製リングを設置し、中にGd2O3を20,489.1g、CeO2を97.8g、SiO2を3,413.1gの混合物を合計で24,000g仕込み、高周波誘導加熱炉で1,950℃に加熱し融解してCe0.01Gd1.99SiO5融液を得た。
【0022】
ワークコイル上端をルツボ上のリング上端と同じ高さとし、この位置で種付けを行い、結晶引上げ速度1.5mm/hの速度でネック径8mmの単結晶を引上げてネック部を形成した後、コーン部の引上げを同一速度で行い、直径が90mmになった時点で直胴部の引上げを開始した。ワークコイルを停止したまま直胴部を引上げ、ワークコイル上端をルツボ上のリング上端と同じ高さのまま結晶の冷却を行った。
【0023】
冷却終了後、得られた単結晶インゴットを取り出した。得られた単結晶インゴットの下端の長直径は91.4mm、短直径が80.9mmであり、扁平度が0.1を超えていた。
【0024】
【発明の効果】
本発明により得られる希土類珪酸塩単結晶インゴットは、クラックの発生がないため、これを用いてシンチレータ素子を作製した場合、シンチレータ素子の発光が検出器に届くまでの損失を増大させること無く、また、扁平度の小さい希土類珪酸塩単結晶インゴットであるので、加工ロスを増大させることも無く生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】希土類珪酸塩単結晶インゴット製造装置の縦断面図であり、該結晶のコーン引上げ時のルツボおよびルツボ上端に設置したルツボと同じ材質のリングとワークコイルの相対位置を示す。
【図2】希土類珪酸塩単結晶インゴット製造装置の縦断面図であり、該結晶の冷却時のルツボおよびルツボ上端に設置したルツボと同じ材質のリングとワークコイルの相対位置を示す。
【図3】本発明の方法による扁平度が0.1以下である希土類珪酸塩単結晶インゴットの直胴部の輪切り図である。
【図4】従来技術による扁平度の大きい希土類珪酸塩単結晶インゴットの直胴部の輪切り図である。
【符号の説明】
1 融液
2 ルツボ
3 ルツボと同じ材質のリング
4 シード(種結晶)
5 コーン部
6 ワークコイル
7 耐火物
8 直胴部
9 融液残り
Claims (5)
- 高周波誘導加熱によるチョクラルスキー法による希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造方法において、ルツボ上端にルツボと同じ材質でできたリングを設置し、該結晶のコーン部の引上げ時と、該結晶引上げ後の冷却時において、ルツボに対するワークコイル位置を変化させることを特徴とする希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造方法。
- 高周波誘導加熱によるチョクラルスキー法による希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造方法において、ルツボ上端にルツボと同じ材質でできたリングを設置し、該結晶のコーン部の引上げ時はリングの上端よりワークコイル上端が10mm以上高い位置にあり、該結晶引上げ後の冷却時にはリングに対してワークコイル上端が同じ高さか低い位置であることを特徴とする請求項1に記載の希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造方法。
- 高周波誘導加熱によるチョクラルスキー法による希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造方法において、ルツボ上端にルツボと同じ材質でできたリングを設置し、該結晶の直胴部の引上げ時にルツボに対してワークコイルを徐々に降下させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造方法。
- 希土類珪酸塩単結晶の結晶系が単斜晶系である請求項1〜3のいずれかに記載の希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造方法。
- 単結晶インゴットがセリウム賦活珪酸ガドリニウム単結晶のインゴットである請求項1〜4のいずれかに記載の希土類珪酸塩単結晶インゴットの製造方法。
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