JP4411889B2 - Crucible - Google Patents
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Description
本発明は、フッ化カルシウムを溶融して冷却することにより単結晶に育成するためのルツボに関するものである。 The present invention relates to a crucible for growing calcium fluoride to a single crystal by cooling.
従来、フッ化カルシウムを溶融して冷却することにより単結晶に育成するためのルツボとして、シード(種子結晶)の結晶面に沿ってフッ化カルシウムを単結晶に育成するように構成されたものが知られている(例えば特許文献1参照)。 Conventionally, as a crucible for growing calcium fluoride into a single crystal by cooling and cooling, one configured to grow calcium fluoride into a single crystal along the crystal plane of a seed (seed crystal) It is known (see, for example, Patent Document 1).
この種のルツボの内面には、フッ化カルシウムの原料が投入される大径の原料収容部と、フッ化カルシウムのシード(種子結晶)が収容される小径のシード収容部とが連続して形成されており、両者はテーパ状のコーン面を介して連続している。
ところで、前述したこの種のルツボの従来例においては、ルツボ内で溶融されたフッ化カルシウムが冷却によりシードの結晶面に沿って結晶化する際、ルツボ内面の原料収容部の壁面とコーン面との境界の角部およびコーン面とシード収容部の壁面との境界の角部が核となって多結晶(異相)が発生し易い。また、フッ化カルシウムが冷却により収縮する際、これらのルツボ内面の角部にフッ化カルシウムが付着して結晶内に残留応力や歪みが発生し、これが起点となって結晶粒界が発生し易いため、多結晶(異相)が発生し易い。その結果、フッ化カルシウムの単結晶を容易に育成することができないという問題がある。 By the way, in the conventional example of this kind of crucible described above, when the calcium fluoride melted in the crucible is crystallized along the crystal plane of the seed by cooling, the wall surface and the cone surface of the raw material container on the inner surface of the crucible Polycrystals (heterogeneous phases) are likely to be generated with the corners of the boundary and the corners of the boundary between the cone surface and the wall surface of the seed accommodating portion as nuclei. In addition, when calcium fluoride shrinks by cooling, calcium fluoride adheres to the corners of the inner surface of these crucibles, generating residual stress and strain in the crystal, which tends to cause grain boundaries. Therefore, polycrystal (heterogeneous phase) is likely to occur. As a result, there is a problem that a single crystal of calcium fluoride cannot be easily grown.
そこで、本発明は、多結晶化を防止してフッ化カルシウムの単結晶を容易に育成することができるルツボを提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the crucible which can prevent the polycrystallization and can grow the single crystal of calcium fluoride easily.
本発明に係るルツボは、フッ化カルシウムを溶融して冷却することによりシードの結晶面に沿って単結晶に育成するためのルツボであって、フッ化カルシウムの原料が収容される原料収容部と、前記シードが収容されるシード収容部との間にテーパ状のコーン面が形成され、前記原料収容部の壁面とコーン面とが、前記原料収容部の壁面間の内径の1/10以上の曲率半径に設定されている凹曲面を介して滑らかに連続し、かつ、前記コーン面とシード収容部の壁面とが、前記原料収容部の壁面間の内径の1/10以上の曲率半径に設定されている凸曲面を介して滑らかに連続し、最大高さ法による当該ルツボの内面の表面粗さがRmax6.4s以下であることを特徴とする。 A crucible according to the present invention is a crucible for growing a calcium fluoride into a single crystal along a seed crystal surface by melting and cooling, and a raw material container containing a calcium fluoride raw material. In addition, a tapered cone surface is formed between the seed accommodating portion and the seed accommodating portion, and the wall surface and the cone surface of the raw material accommodating portion are 1/10 or more of the inner diameter between the wall surfaces of the raw material accommodating portion. The cone surface and the wall surface of the seed storage part are set to a curvature radius that is 1/10 or more of the inner diameter between the wall surfaces of the raw material storage part. smoothly continuous through the convex curved surface which has a surface roughness of the inner surface of the crucible by the maximum height method is equal to or less than Rmax6.4S.
本発明に係るルツボでは、原料収容部の壁面とコーン面とが凹曲面を介して滑らかに連続し、かつ、コーン面とシード収容部の壁面とが凸曲面を介して滑らかに連続しているため、ルツボ内で溶融されたフッ化カルシウムが冷却によりシードの結晶面に沿って結晶化する際、多結晶の原因となる核がルツボ内面に発生するのが抑制される。また、フッ化カルシウムが冷却により収縮する際にルツボ内面から容易に離れるため、フッ化カルシウムの結晶内に残留応力や歪みが発生するのが抑制される。その結果、フッ化カルシウムの単結晶が容易に育成される。 In the crucible according to the present invention, the wall surface and the cone surface of the raw material storage portion are smoothly continuous via the concave curved surface, and the cone surface and the wall surface of the seed storage portion are smoothly continuous via the convex curved surface. Therefore, when calcium fluoride melted in the crucible is crystallized along the crystal plane of the seed by cooling, generation of nuclei that cause polycrystals on the inner surface of the crucible is suppressed. Further, since the calcium fluoride is easily separated from the inner surface of the crucible when shrinking by cooling, the occurrence of residual stress and strain in the crystal of calcium fluoride is suppressed. As a result, a single crystal of calcium fluoride is easily grown.
本発明のルツボにおいて、ルツボ内面の原料収容部の壁面とコーン面とシード収容部の壁面とを相互に連続する曲面の曲率半径は、原料収容部の壁面間の内径の1/10以上、好ましく1/6以上、さらに好ましくは1/4以上である。 In the crucible of the present invention, the curvature radius of the curved surface continuously connecting the wall surface of the raw material container, the cone surface and the seed container wall on the inner surface of the crucible is 1/10 or more of the inner diameter between the wall surfaces of the raw material container, preferably 1/6 or more, more preferably 1/4 or more.
本発明に係るルツボでは、原料収容部の壁面とコーン面とが凹曲面を介して滑らかに連続し、かつ、コーン面とシード収容部の壁面とが凸曲面を介して滑らかに連続しているため、ルツボ内で溶融されたフッ化カルシウムが冷却によりシードの結晶面に沿って結晶化する際、多結晶の原因となる核がルツボ内面に発生するのが抑制される。また、フッ化カルシウムが冷却により収縮する際にルツボ内面から容易に離れるため、フッ化カルシウムの結晶内に残留応力や歪みが発生するのが抑制される。従って、本発明によれば、フッ化カルシウムの単結晶を容易に育成することができる。 In the crucible according to the present invention, the wall surface and the cone surface of the raw material storage portion are smoothly continuous via the concave curved surface, and the cone surface and the wall surface of the seed storage portion are smoothly continuous via the convex curved surface. Therefore, when calcium fluoride melted in the crucible is crystallized along the crystal plane of the seed by cooling, generation of nuclei that cause polycrystals on the inner surface of the crucible is suppressed. Further, since the calcium fluoride is easily separated from the inner surface of the crucible when shrinking by cooling, the occurrence of residual stress and strain in the calcium fluoride crystal is suppressed. Therefore, according to the present invention, a single crystal of calcium fluoride can be easily grown.
以下、図面を参照して本発明に係るルツボの実施形態を説明する。参照する図面において、図1は一実施形態に係るルツボを備えた真空VB炉の概略構造を示す模式図、図2は図1に示した一実施形態に係るルツボの構造を示す断面図である。 Hereinafter, embodiments of a crucible according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic structure of a vacuum VB furnace provided with a crucible according to an embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structure of the crucible according to the embodiment shown in FIG. .
図1に示すように、一実施形態に係るルツボ1は、垂直ブリッジマン(以下、VBと略記する)法による単結晶育成装置としての真空VB炉2内において、ヒータ2Aの内側に配置され、シャフト2Bを介して極微速度で昇降されることにより、フッ化カルシウム(CaF2)の原料Mを溶融して冷却し、これをフッ化カルシウム(CaF2)の単結晶からなるシード(種子結晶)Sの例えば(1,1,1)方位の結晶面に沿って単結晶に育成するためのものである。
As shown in FIG. 1, a
真空VB炉2の内部は、真空ポンプ2Cによって10-4Pa以下に減圧され、ヒータ2Aによって例えば1400〜1500℃前後に加熱される。このヒータ2Aの加熱によってシードSが溶融するのを防止するため、真空VB炉2のシャフト2Bは、冷却水循環路を構成するように構成されている。
The inside of the
すなわち、シャフト2Bは、内管2B1の上端が外管2B2の上端より後退した2重管で構成されており、その上端部にはキャップ状の伝熱部材2Dが嵌合固定されている。そして、この伝熱部材2Dが後述するルツボ1の底部材1Cの中央部に接続されることにより、シードSの下部を強制冷却するように構成されている。
That is, the
ここで、図2に示すように、一実施形態のルツボ1は、ルツボ本体1Aと、ルツボ本体1Aの開口部を覆う蓋部材1Bと、ルツボ本体1Bの下部に固定される底部材1Cとを備えて構成されている。ルツボ本体1Aは、耐熱性があり、かつ、内面の平滑度を高められる材料として、高純度カーボン材で構成されされており、その内面が光沢を有するガラス状カーボン(GC)でコーティングされている。
Here, as shown in FIG. 2, the
ルツボ本体1Aには、フッ化カルシウム(CaF2)の原料M(図1参照)などが収容される大径の原料収容部1Dが形成されている。また、ルツボ本体1Aから底部材1Cに亘ってその中心部には、例えば円柱状のシードS(図1参照)を収容する小径のシード収容部1Eがストレートな円形孔として形成されている。そして、原料収容部1Dとシード収容部1Eとの間には、原料収容部1Dの底を構成するテーパ状(ロート状)のコーン面1Fが形成されている。
The crucible body 1A is formed with a large-diameter raw
一方、蓋部材1Bおよび底部材1Cも耐熱性のある高純度カーボン材で構成されている。そして、底部材1Cの下面中央部には、真空VB炉2のシャフト2Bの上端部に固定された伝熱部材2D(図1参照)を嵌合固定するための接続筒部1C1が突設されている。
On the other hand, the
ここで、原料収容部1Dの壁面1Hとコーン面1Fとの境界部分には凹曲面1Jが形成され、この凹曲面1Jを介して原料収容部1Dの壁面1Hとコーン面1Fとが滑らかに連続している。また、コーン面1Fとシード収容部1Eの壁面1Kとの境界部分には凸曲面1Lが形成され、この凸曲面1Lを介してコーン面1Fとシード収容部1Eの壁面1Kとが滑らかに連続している。
Here, a concave
原料収容部1Dの壁面1Hはストレートに形成されており、その壁面1H間の内径は、例えば250mmに設定されている。また、シード収容部1Eの内径は例えば20mmに設定されている。
The
ここで、コーン面1Fのコーン角度θが小さ過ぎると、原料収容部1D内で育成されるフッ化カルシウム(CaF2)の結晶内に残留応力や歪みが発生し、これに起因して多結晶(異相)が発生し易い。一方、コーン面1Fのコーン角度θが大き過ぎると、フッ化カルシウム(CaF2)の単結晶の育成が阻害され易い。そこで、コーン面1Fのコーン角度θは、95°〜150°の範囲のうち、最も好ましい範囲として、120°〜130°の範囲に設定されている。
Here, if the cone angle θ of the
また、凹曲面1Jおよび凸曲面1Lは、曲率半径が小さ過ぎて角張っていると、原料収容部1D内で溶融されたフッ化カルシウム(CaF2)が冷却により結晶化する際、角張った凹曲面1Jおよび凸曲面1Lの部分が核となって多結晶(異相)が発生し易い。加えて、フッ化カルシウム(CaF2)が冷却により収縮する際、これらの角張った凹曲面1Jおよび凸曲面1Lにフッ化カルシウム(CaF2)が付着して結晶内に残留応力や歪みが発生し、これに起因して多結晶(異相)が発生し易い。
Further, when the concave
そこで、一実施形態のルツボ1においては、凹曲面1Jおよび凸曲面1Lの曲率半径が原料収容部1Dの壁面1H間の内径(例えば250mm)の1/10以上の大きな曲率半径に設定されている。例えば、凹曲面1Jの曲率半径は60mm程度に設定され、凸曲面1Lの曲率半径は50mm程度に設定されている。
Therefore, in the
さらに、原料収容部1Dの壁面1Hやコーン面1Fなどの表面粗さが粗いと、原料収容部1D内で溶融されたフッ化カルシウム(CaF2)が冷却により結晶化する際、壁面1Hやコーン面1Fなどの微小な凹凸が核となって多結晶(異相)が発生し易い。加えて、フッ化カルシウム(CaF2)が冷却により収縮する際、壁面1Hやコーン面1Fにフッ化カルシウム(CaF2)が付着して結晶内に残留応力や歪みが発生し、これに起因して多結晶(異相)が発生し易い。
Further, when the surface roughness of the
そこで、ルツボ本体1Aの原料収容部1Dの壁面1Hから凹曲面1J、コーン面1F、凸曲面1Lを経てシード収容部1Eの壁面1Kにわたるルツボ内面は、最大高さ法による表面粗さが少なくともRmax6.4s以下の例えばRmax3.2s程度に仕上げられている。
Accordingly, the inner surface of the crucible extending from the
そして、ルツボ本体1Aの内面がRmax3.2s程度に仕上げられているため、ルツボ内面と水滴との接触角が少なくとも100°以下の例えば90°となっている。 Since the inner surface of the crucible body 1A is finished to about Rmax 3.2 s, the contact angle between the inner surface of the crucible and the water droplet is at least 100 ° or less, for example 90 °.
以上のように構成された一実施形態のルツボ1は、図1に示すフッ化カルシウム(CaF2)の原料Mを溶融するため、10-4Pa以下に減圧された真空VB炉2(図1参照)内において、1400℃前後に加熱されたヒータ2Aの内側をシャフト2Bにより10mm/h程度の微速度で上昇され、10時間ほど上昇位置に保持される。その際、シャフト2B内を内管2B1から外管2B2へ循環する冷却水により伝熱部材2Dを介してシードSの下部が強制冷却されることにより、シードSの上部を除く部分の溶融が防止される。
The
そして、このルツボ1は、溶融したフッ化カルシウム(CaF2)の原料Mを冷却してシード(種子結晶)Sの例えば(1,1,1)方位の結晶面に沿って単結晶に育成するため、シャフト2Bにより1.5mm/h以下の例えば1.0mm/h程度の極微速度で下降され、5時間ほど真空VB炉2内の下降位置に保持される。
The
その後、ルツボ1内の溶融したフッ化カルシウム(CaF2)は、クエンチ(熱衝撃による割れ)を防止するため、真空VB炉2のヒータ2Aをオン・オフ制御することにより、70℃/h以下の例えば30℃/h程度の冷却速度で冷却される。
Thereafter, the molten calcium fluoride (CaF 2 ) in the
ここで、一実施形態のルツボ1においては、ルツボ本体1Aの原料収容部1Dの壁面1Hとコーン面1Fとが60mm程度の大きな曲率半径の凹曲面1Jを介して滑らかに連続し、コーン面1Fとシード収容部1Eの壁面1Kとが50mm程度の大きな曲率半径の凸曲面1Lを介して滑らかに連続している。すなわち、原料収容部1Dの壁面1Hから凹曲面1J、コーン面1F、凸曲面1Lを経てシード収容部1Eの壁面1Kにわたるルツボ内面が滑らかに連続して角張ったところがない。
Here, in the
このため、一実施形態のルツボ1においては、原料収容部1D内で溶融されたフッ化カルシウム(CaF2)が冷却によりシードSの(1,1,1)方位の結晶面に沿って結晶化する際、多結晶の原因となる核がルツボ内面に発生するのが抑制される。また、フッ化カルシウム(CaF2)が冷却により収縮する際にルツボ内面から容易に離れるため、フッ化カルシウム(CaF2)の結晶内に残留応力や歪みが発生するのが抑制される。その結果、フッ化カルシウム(CaF2)の単結晶が確実に育成される。
Therefore, in the
また、ルツボ1内の溶融したフッ化カルシウム(CaF2)は、70℃/h以下の例えば30℃/h程度の冷却速度で冷却されるため、クエンチ(熱衝撃による割れ)が防止されて良好な単結晶に育成される。
Moreover, since the molten calcium fluoride (CaF 2 ) in the
加えて、溶融したフッ化カルシウム(CaF2)を冷却して単結晶に育成するためにルツボ1を極微速度で下降させる速度、すなわち育成速度が1.5mm/h以下の例えば1.0mm/h程度とされているため、育成される単結晶の結晶方位は、図3に示すように安定する。なお、育成速度を1.5mm/h以上の2mm/hとした場合には、図4に示すように結晶方位が分散して安定しないことが判明した。
In addition, in order to cool the molten calcium fluoride (CaF 2 ) and grow it into a single crystal, the speed at which the
1 ルツボ
1A ルツボ本体
1B 蓋部材
1C 底部材
1D 原料収容部
1E シード収容部
1F コーン面
1H 原料収容部の壁面
1J 凹曲面
1K シード収容部の壁面
1L 凸曲面
2 真空VB炉
2A ヒータ
2B シャフト
2C 真空ポンプ
2D 伝熱部材
M フッ化カルシウム(CaF2)の原料
S フッ化カルシウム(CaF2)のシード(種子結晶)
1 crucible
Claims (1)
フッ化カルシウムの原料が収容される原料収容部と、前記シードが収容されるシード収容部との間にテーパ状のコーン面が形成され、
前記原料収容部の壁面とコーン面とが、前記原料収容部の壁面間の内径の1/10以上の曲率半径に設定されている凹曲面を介して滑らかに連続し、
かつ、前記コーン面とシード収容部の壁面とが、前記原料収容部の壁面間の内径の1/10以上の曲率半径に設定されている凸曲面を介して滑らかに連続し、
最大高さ法による当該ルツボの内面の表面粗さがRmax6.4s以下であることを特徴とするルツボ。 A crucible for growing a single crystal along the crystal plane of the seed by melting and cooling calcium fluoride,
A tapered cone surface is formed between a raw material storage part that stores the raw material of calcium fluoride and a seed storage part that stores the seed,
The wall surface and the cone surface of the raw material container are smoothly and continuously connected through a concave curved surface set to a curvature radius of 1/10 or more of the inner diameter between the wall surfaces of the raw material container .
And, the cone surface and the wall surface of the seed housing part are smoothly continuous via a convex curved surface set to a curvature radius of 1/10 or more of the inner diameter between the wall surfaces of the raw material housing part ,
A crucible characterized in that the surface roughness of the inner surface of the crucible by the maximum height method is Rmax 6.4 s or less .
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