JP6347673B2 - Method for producing YAG single crystal - Google Patents
Method for producing YAG single crystal Download PDFInfo
- Publication number
- JP6347673B2 JP6347673B2 JP2014109581A JP2014109581A JP6347673B2 JP 6347673 B2 JP6347673 B2 JP 6347673B2 JP 2014109581 A JP2014109581 A JP 2014109581A JP 2014109581 A JP2014109581 A JP 2014109581A JP 6347673 B2 JP6347673 B2 JP 6347673B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- single crystal
- crucible
- crystal
- raw material
- molybdenum
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Description
本発明は、CZ法またはEFG法等によりYAG単結晶および添加物を含んだYAG単結晶(R:YAG単結晶、ここでRはNd、Ce、等の添加物)を製造する方法に関し、特にモリブデン坩堝等の安価な坩堝を用いた単結晶の育成を可能にするYAG単結晶の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a YAG single crystal (R: YAG single crystal, where R is an additive such as Nd, Ce, etc.) containing a YAG single crystal and an additive by the CZ method or the EFG method. The present invention relates to a method for producing a YAG single crystal that enables growth of a single crystal using an inexpensive crucible such as a molybdenum crucible.
活性イオンを含んだ固体レーザ用単結晶のなかでも特にNd:YAG(ネオジウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット)単結晶は、現在工業的に最も有用な固体レーザ材料であり、種々のレーザ発振装置に使用されている。Nd:YAG単結晶は、通常高周波誘導加熱方式のCZ(チョクラルスキー)法により、高価なイリジウム(Ir)坩堝を用いて製造されている。更に、融点が1950℃程度と極めて高いため、結晶育成時には原料融液が充填されたイリジウム坩堝の周囲及び融液面の上方等を、高融点で高純度のアルミナ(Al2O3)あるいはジルコニア(Zr2O3)製の耐火物や粉末等により覆い、保温する必要がある。Nd:YAG単結晶の育成において、これらの保温材として使用される耐火物をどのように構成するかは重要な育成条件である。 Among the single crystals for solid-state lasers that contain active ions, Nd: YAG (neodymium-doped yttrium, aluminum, garnet) single crystals are the most useful solid-state laser materials in the industry and are used in various laser oscillators. Has been. The Nd: YAG single crystal is usually manufactured using an expensive iridium (Ir) crucible by a high frequency induction heating type CZ (Czochralski) method. Further, since the melting point is as high as about 1950 ° C., high-melting high-purity alumina (Al 2 O 3 ) or zirconia is formed around the iridium crucible filled with the raw material melt and above the melt surface during crystal growth. It is necessary to cover and keep warm with a refractory or powder made of (Zr 2 O 3 ). In the growth of Nd: YAG single crystals, how to configure the refractories used as these heat insulating materials is an important growth condition.
これらの耐火物は、高温である融液またはイリジウム坩堝に近接して使用される場合、収縮割れ等の劣化を生じる。特に融液の上方に近接して配置される耐火物は高温となり、かつ融液からの赤外線放射にもさらされる。このため、温度環境がその耐火物の最高使用可能温度近傍となりやすく、保温性の劣化が大きくなる。この耐火物の劣化は特に温度勾配の変化等の結晶育成条件の変化を招く。これを防止するため、特許文献1および2に記載のように、YAG単結晶を育成する場合、一般的に、円孔を有するイリジウム円盤を融液と耐火物との間、あるいは耐火物の代わりに配置する。イリジウム円盤は、それ自体に保温性はないが変形劣化がなく、融液からの赤外線放射を育成中を通じて遮断する役割を果たし、温度勾配を大きくして結晶育成をスムーズにすると同時に耐火物の劣化を低減し育成条件を安定化する。 When these refractories are used in the vicinity of a high-temperature melt or iridium crucible, deterioration such as shrinkage cracks occurs. In particular, refractories placed close to the top of the melt are hot and are also exposed to infrared radiation from the melt. For this reason, the temperature environment tends to be in the vicinity of the maximum usable temperature of the refractory, and the heat retention is greatly deteriorated. This deterioration of the refractory causes a change in crystal growth conditions such as a change in temperature gradient. In order to prevent this, as described in Patent Documents 1 and 2, when growing a YAG single crystal, an iridium disk having a circular hole is generally used between a melt and a refractory, or instead of a refractory. To place. The iridium disk itself does not retain heat but does not undergo deformation deterioration, plays a role in blocking infrared radiation from the melt throughout its growth, increases the temperature gradient and smoothes crystal growth, and at the same time degrades the refractory To stabilize the growth conditions.
また、イリジウム円盤上にイリジウム円筒を接触配置し、原料融液及び結晶育成が行われている空間と耐火物等とを隔てることにより、耐火物等からの不純物混入が避けられる。単結晶の原料粉末の純度は99.999%程度であるが、不純物として特に問題にされる酸化鉄(Fe2O3)等の遷移金属はPPMの単位においても検出できない程度に原料からは除去されている。酸化鉄等の遷移金属の結晶への混入は色中心の発生を招くので光吸収が増大し、レーザ発振の際発振光の損失となり、特性低下の原因となる。しかし、アルミナ(Al2O3)やジルコニア(Zr2O3)耐火物の材料の純度は99%程度であり、酸化硅素(SiO2)、酸化鉄、酸化カルシウム(CaO)等をそれぞれ0.数%程度含んでいる。従って、上記イリジウム円筒による措置は耐火物の収縮割れ等による耐火物からの不純物混入を防止し、レーザ材料の特性低下を防ぐ重要な手段である。 Further, by placing an iridium cylinder in contact with the iridium disk and separating the refractory and the like from the space where the raw material melt and crystal growth are performed, the contamination from the refractory and the like can be avoided. Although the purity of the single crystal raw material powder is about 99.999%, transition metals such as iron oxide (Fe 2 O 3 ), which are particularly problematic as impurities, are removed from the raw material to the extent that they cannot be detected even in the PPM unit. Has been. When the transition metal such as iron oxide is mixed into the crystal, the color center is generated, so that the light absorption is increased and the oscillation light is lost at the time of laser oscillation. However, the material purity of alumina (Al 2 O 3 ) or zirconia (Zr 2 O 3 ) refractories is about 99%, and silicon oxide (SiO 2 ), iron oxide, calcium oxide (CaO), etc. are each about 0.000%. Contains several percent. Therefore, the measure using the iridium cylinder is an important means for preventing contamination of the refractory by impurities due to shrinkage cracking of the refractory and preventing deterioration of the characteristics of the laser material.
上記のイリジウム坩堝を用いる従来の製造方法では、イリジウムが高価であるので製造コストが高くなることや耐火物の使用可能限界が数回と短いことが問題となっている。 In the conventional manufacturing method using the above-mentioned iridium crucible, there are problems that iridium is expensive and therefore the manufacturing cost is high and the usable limit of the refractory is as short as several times.
イリジウム坩堝をより安価なモリブデン坩堝に変えることが考えられるが、単に代えただけではYAG単結晶の結晶育成は不可能である。前述のアルミナ(Al2O3)やジルコニア(Zr2O3)等の酸化物による耐火物を用いた構成では耐火物から発生する酸素でモリブデン坩堝が燃えてしまう。一方、耐火物をカーボン断熱材に変えた場合、高周波誘導加熱方式ではカーボンで一部の高周波が遮断され加熱効率が悪くなる。この高周波の遮断を防ぐためカーボンフェルトを耐火物に用いることが考えられるが、カーボンが蒸発しやすいため、結晶中にカーボンが混入してしまうという問題は残る。 Although it is conceivable to change the iridium crucible to a cheaper molybdenum crucible, it is impossible to grow a YAG single crystal simply by replacing it. In the configuration using the refractory material such as alumina (Al 2 O 3 ) or zirconia (Zr 2 O 3 ) described above, the molybdenum crucible burns with oxygen generated from the refractory material. On the other hand, when the refractory is changed to a carbon heat insulating material, in the high frequency induction heating method, a part of the high frequency is cut off by carbon and the heating efficiency is deteriorated. Although it is conceivable to use carbon felt as a refractory material to prevent this high-frequency cutoff, the problem of carbon mixing into the crystal remains because carbon tends to evaporate.
また、従来、抵抗加熱方式によるモリブデン坩堝でのYAG単結晶の育成は試みられていたが、モリブデン坩堝が原料に溶け出して融点が上がり十分な育成が出来なかった。結晶化原料を用いてモリブデン坩堝と反応しないよう注意して育成したとしても、抵抗加熱炉では温度勾配の制御が難しく、黒く着色した結晶しか得られず実用化されなかった。唯一、タングステンヒーターとモリブデン坩堝およびモリブデン保温材を用いてYAG単結晶を育成出来ているが、タングステンヒーターとモリブデン保温材の寿命が短く実用的ではなかった。 Conventionally, growth of a YAG single crystal in a molybdenum crucible by a resistance heating method has been attempted, but the molybdenum crucible has melted into the raw material and the melting point has increased, so that sufficient growth has not been possible. Even if the crystallization raw material was used to grow carefully so as not to react with the molybdenum crucible, it was difficult to control the temperature gradient in the resistance heating furnace, and only a black colored crystal was obtained and was not put into practical use. Only YAG single crystals could be grown using a tungsten heater, a molybdenum crucible, and a molybdenum heat insulating material, but the life of the tungsten heater and the molybdenum heat insulating material was short and impractical.
そこで、本発明は、係る問題を解決するためになされたものであり、高価なイリジウム坩堝を用いずに、結晶性が良好なYAG単結晶および添加物を含んだYAG単結晶の育成を可能にする実用的なYAG単結晶の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve such problems, and enables the growth of YAG single crystals having good crystallinity and YAG single crystals containing additives without using expensive iridium crucibles. An object of the present invention is to provide a practical method for producing a YAG single crystal.
第1の観点では、本発明のYAG単結晶の製造方法は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶の原料を坩堝に入れて溶融し、前記単結晶を育成させるイットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶の製造方法において、前記単結晶が育成される領域の周囲の少なくとも一部に、前記領域に面する側がモリブデンプレートに覆われたカーボンからなる保温材を用いることを特徴とする。 In a first aspect, the method for producing a YAG single crystal according to the present invention is a method for producing an yttrium aluminum garnet single crystal in which a raw material of yttrium aluminum garnet single crystal is put in a crucible and melted to grow the single crystal. In the above, a heat insulating material made of carbon whose side facing the region is covered with a molybdenum plate is used for at least a part of the periphery of the region where the single crystal is grown.
前述のように、YAG単結晶の育成において、耐火物の構成は重要な育成条件である。抵抗加熱方式は高周波誘導加熱方式に比べ熱交換効率が良く、一般的に製造装置を安価に構成できる。この場合、通常使用されるカーボンヒーターは耐熱・耐久性に優れている。カーボンは熱伝導が高く保温材に適していないとされていたが、最近、断熱性に優れたフェルトあるいは成形断熱材が入手可能となり、安価で耐久性に優れた抵抗加熱炉の実現が可能となっている。しかし、抵抗加熱方式は坩堝を直接加熱する高周波誘導加熱方式に比べ温度勾配が作り難いという欠点があった。そこで本発明では、カーボンからなるフェルトあるいは成形断熱材等を熱伝導の高いモリブデンプレートと組み合わせて使用することで上記の欠点を解消し、所望の温度勾配を得ることを可能としている。 As described above, the structure of the refractory is an important growth condition in growing a YAG single crystal. The resistance heating method has better heat exchange efficiency than the high frequency induction heating method, and the manufacturing apparatus can generally be constructed at a low cost. In this case, the normally used carbon heater is excellent in heat resistance and durability. Carbon is said to have high thermal conductivity and is not suitable as a heat insulating material, but recently, a felt or molded heat insulating material with excellent heat insulation properties is available, and it is possible to realize a resistance heating furnace with low cost and excellent durability. It has become. However, the resistance heating method has a drawback that it is difficult to create a temperature gradient as compared with the high frequency induction heating method in which the crucible is directly heated. Therefore, in the present invention, it is possible to eliminate the above-mentioned drawbacks and obtain a desired temperature gradient by using a felt made of carbon or a molded heat insulating material in combination with a molybdenum plate having high thermal conductivity.
また、1850℃以上の温度ではカーボンは微量の昇華を始める。その昇華したカーボンがYAG単結晶と反応すると二酸化炭素(CO2)を発生するとともに結晶中の酸素を奪い、結晶を黒く着色させる。すなわち結晶は酸素欠陥により黒化する。本発明においては、モリブデンプレートが存在することにより、蒸発したカーボンに原料および結晶が触れるのを防ぎ、上記現象を抑えることが出来る。 In addition, carbon starts sublimation at a temperature of 1850 ° C. or higher. When the sublimated carbon reacts with the YAG single crystal, carbon dioxide (CO 2 ) is generated and oxygen in the crystal is taken away, and the crystal is colored black. That is, the crystal is blackened by oxygen defects. In the present invention, the presence of the molybdenum plate prevents the raw material and the crystals from coming into contact with the evaporated carbon, thereby suppressing the above phenomenon.
以上のように、本発明では、熱伝導度の高いモリブデンプレートと耐熱・耐久性の高いカーボンを組み合わせた保温材を耐火物等として用いることにより、YAG単結晶の育成に必要な高い温度領域において抵抗加熱炉で必要とされる温度勾配の制御を可能とし、さらに、カーボンの結晶育成領域に面する側をモリブデンプレートで覆うことによりカーボンが蒸発して結晶育成領域に入るのを抑えることができる。これにより、イリジウム坩堝を用いずに、結晶性が良好なYAG単結晶の育成が可能となる。 As described above, in the present invention, by using a heat insulating material combining a molybdenum plate having high thermal conductivity and carbon having high heat resistance and durability as a refractory, etc., in a high temperature region necessary for growing a YAG single crystal. The temperature gradient required in the resistance heating furnace can be controlled, and further, the side facing the crystal growth region of carbon is covered with a molybdenum plate, so that carbon can be prevented from evaporating and entering the crystal growth region. . This makes it possible to grow a YAG single crystal with good crystallinity without using an iridium crucible.
第2の観点では、本発明は、前記第1の観点のYAG単結晶の製造方法において、前記坩堝として、モリブデン坩堝を用いることを特徴とする。単結晶育成において一般的に使用され、工業的にも実績のあるモリブデン坩堝を用いることにより、実用的な結晶製造装置を構成することができる。例えば、抵抗加熱方式の装置を構成する場合、中央部に配置されたモリブデン坩堝をYAG単結晶の溶融温度である1950℃以上に加熱することが可能なカーボンヒーターを用い、結晶育成領域の周囲は内側がモリブデンプレートで覆われたカーボン断熱材を配置し、モリブデン坩堝の上方にはモリブデン円筒を設置し、その上端は中央に少なくとも製造する結晶径よりも大きい開口部を有するモリブデンの蓋で蓋をする。なお、高周波誘導加熱方式の装置に本発明を適用することも可能であり、その場合にはカーボンヒーターは不要となる。 In a second aspect, the present invention is characterized in that in the method for producing a YAG single crystal of the first aspect, a molybdenum crucible is used as the crucible. By using a molybdenum crucible that is generally used in single crystal growth and has a proven record in industry, a practical crystal manufacturing apparatus can be configured. For example, when configuring a resistance heating type apparatus, a carbon heater capable of heating a molybdenum crucible disposed in the center to a melting temperature of YAG single crystal of 1950 ° C. or higher is used. A carbon heat insulating material covered with a molybdenum plate is placed inside, a molybdenum cylinder is installed above the molybdenum crucible, and the upper end is covered with a molybdenum lid having an opening larger than the crystal diameter to be produced at the center. To do. In addition, it is also possible to apply this invention to the apparatus of a high frequency induction heating system, and a carbon heater becomes unnecessary in that case.
第3の観点では、本発明は、前記第1または第2の観点のYAG単結晶の製造方法において、抵抗加熱方式を用いて前記坩堝を加熱することにより前記原料を溶融することを特徴とする。本発明では高い温度領域において抵抗加熱炉で必要とされる温度勾配の制御を可能としており、一般的な酸化物単結晶に用いられている抵抗加熱方式を用いることにより、単結晶製造装置を構成する上での成熟した従来の技術を適用でき、製造装置の実現が容易となる。なお、高周波誘導加熱方式においても、上述の温度分布制御の容易性、育成結晶に対するカーボンの影響の抑制という本発明の特長を有効に生かすことができる。 In a third aspect, the present invention is the method for producing a YAG single crystal according to the first or second aspect, wherein the raw material is melted by heating the crucible using a resistance heating method. . In the present invention, it is possible to control a temperature gradient required in a resistance heating furnace in a high temperature region, and a single crystal manufacturing apparatus is configured by using a resistance heating method used for a general oxide single crystal. Therefore, it is possible to apply a matured conventional technique and to easily realize a manufacturing apparatus. In the high-frequency induction heating method, the above-described features of the present invention, such as ease of temperature distribution control and suppression of the influence of carbon on the grown crystal, can be effectively utilized.
第4の観点では、本発明は、前記第1乃至第3の観点のYAG単結晶の製造方法において、前記原料の溶融前の工程において、前記領域にアルゴンガスを流入することを特徴とする。耐火物などの断熱材から放出されるガスにはカーボン化合物が多く含まれる。そこで、単結晶が育成される領域にアルゴンガスを流入し、例えばカーボンが蒸発する1850℃より低い温度の減圧アルゴン雰囲気で耐火物を熱処理することで、耐火物のガス出しをより効果的に行うことができる。また、同時に原料に含まれる不純物ガスの放出も行われる。このように原料の溶融前に結晶育成領域に雰囲気ガスとして不活性なアルゴンガスを流入し、減圧アルゴン雰囲気中で高温に保持して、原料や保温材に含まれる不純物ガスおよび酸素やカーボンを十分に炉外に放出した後、原料を溶融させることにより、結晶中へのカーボンなどの不純物混入を低減することができ、カーボンによるモリブデン坩堝の燃焼も防ぐことができる。なお、アルゴンガスの代わりに窒素ガスを用いると、2000℃付近でNOxあるいはシアン系の有毒ガスが発生する。有毒ガスの発生を防ためには、炉内の雰囲気ガスには有害ガスの発生が無いアルゴンガスを用いることが望ましい。 In a fourth aspect, the present invention is characterized in that, in the YAG single crystal manufacturing method according to the first to third aspects, argon gas is introduced into the region in the step before melting the raw material. A lot of carbon compounds are contained in the gas released from the heat insulating material such as refractory. Therefore, argon gas is introduced into the region where the single crystal is grown, and the refractory is outgassed more effectively by heat-treating the refractory in a reduced pressure argon atmosphere at a temperature lower than 1850 ° C. where carbon evaporates, for example. be able to. At the same time, the impurity gas contained in the raw material is released. Thus, before the raw material is melted, an inert argon gas flows into the crystal growth region as an atmospheric gas, and is maintained at a high temperature in a reduced pressure argon atmosphere, so that the impurity gas, oxygen, and carbon contained in the raw material and the heat insulating material are sufficient. After being released outside the furnace, the raw material is melted, so that impurities such as carbon can be reduced in the crystal, and combustion of the molybdenum crucible by carbon can be prevented. When nitrogen gas is used instead of argon gas, NO x or cyan toxic gas is generated at around 2000 ° C. In order to prevent the generation of toxic gas, it is desirable to use argon gas which does not generate harmful gas as the atmospheric gas in the furnace.
第5の観点では、本発明は、前記第4の観点のYAG単結晶の製造方法において、前記坩堝の温度を1550℃〜1850℃とした状態で、減圧雰囲気で前記原料のガス出しを行い、その後、前記原料を溶融させることを特徴とする。上記のように結晶育成領域に雰囲気ガスとして不活性なアルゴンガスを流入し、さらに、坩堝の温度を1550℃〜1850℃とした状態で、減圧雰囲気中で例えば30分以上長時間保持して、残存ガスを十分に放出した後、原料を溶融させることにより、原料からも効率よく不純物ガスを放出させて炉外に排出することができ、高品質の単結晶が得られる。 In a fifth aspect, the present invention provides the method for producing a YAG single crystal according to the fourth aspect, wherein the raw material is degassed in a reduced-pressure atmosphere in a state where the temperature of the crucible is 1550 ° C to 1850 ° C. Thereafter, the raw material is melted. As described above, an inert argon gas is allowed to flow into the crystal growth region as an atmospheric gas, and the crucible temperature is kept at 1550 ° C. to 1850 ° C., for example, for 30 minutes or longer in a reduced pressure atmosphere, After sufficiently discharging the residual gas, the raw material is melted, whereby the impurity gas can be efficiently discharged from the raw material and discharged out of the furnace, and a high-quality single crystal can be obtained.
第6の観点では、本発明は、前記第1乃至第4の観点のYAG単結晶の製造方法において、前記単結晶を育成した後、該単結晶を1100℃〜1850℃の酸素雰囲気で熱処理することを特徴とする。育成された単結晶を1100℃〜1850℃の酸素雰囲気で熱処理することにより、結晶の光透過率を向上させることができ、より高品質の単結晶が得られる。 In a sixth aspect, the present invention provides the method for producing a YAG single crystal according to the first to fourth aspects, wherein after the single crystal is grown, the single crystal is heat-treated in an oxygen atmosphere at 1100 ° C. to 1850 ° C. It is characterized by that. By heat-treating the grown single crystal in an oxygen atmosphere at 1100 ° C. to 1850 ° C., the light transmittance of the crystal can be improved, and a higher quality single crystal can be obtained.
以上のように、本発明のYAG単結晶の製造方法によれば、高価なイリジウム坩堝を用いずに、結晶性が良好なYAG単結晶および添加物を含んだYAG単結晶の育成を可能にする実用的なYAG単結晶の製造方法が得られる。 As described above, according to the YAG single crystal manufacturing method of the present invention, it is possible to grow a YAG single crystal having good crystallinity and a YAG single crystal containing an additive without using an expensive iridium crucible. A practical method for producing a YAG single crystal is obtained.
以下、図面を参照して本発明のYAG単結晶の製造方法を実施例により詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複した説明を省略する。 Hereinafter, the method for producing a YAG single crystal of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted.
図1は、実施例1に係るYAG単結晶の製造方法を説明するために示す図であり、抵抗加熱方式によるYAG単結晶の製造装置の構成の一例を示す模式的な断面図である。図1において、保温材ベース2上にカーボン断熱材3が設置され、その上にYAG単結晶が育成される領域の周囲を囲むような円筒状のカーボン保温材6が設置されている。このカーボン保温材6はその内面、すなわちYAG単結晶の育成領域に面する側はモリブデンプレート15に覆われている。モリブデン坩堝台5上のYAG単結晶の育成領域にはモリブデン坩堝8が設置され、その周囲には抵抗加熱用のカーボンヒーター7が設置されている。カーボンヒーター7は電極ベース1に取り付けられたカーボン電極4に接続されている。また、モリブデン坩堝8の上方にはモリブデン円筒13が設置され、その上端は中央に穴を設けたモリブデン蓋14で蓋をされている。 FIG. 1 is a diagram illustrating a method for manufacturing a YAG single crystal according to Example 1, and is a schematic cross-sectional view illustrating an example of the configuration of a YAG single crystal manufacturing apparatus using a resistance heating method. In FIG. 1, the carbon heat insulating material 3 is installed on the heat insulating material base 2, and the cylindrical carbon heat insulating material 6 surrounding the area | region where a YAG single crystal is grown is installed on it. The inner surface of the carbon heat insulating material 6, that is, the side facing the growth region of the YAG single crystal is covered with a molybdenum plate 15. A molybdenum crucible 8 is installed in the YAG single crystal growth region on the molybdenum crucible base 5, and a resistance heating carbon heater 7 is installed around the molybdenum crucible 8. The carbon heater 7 is connected to the carbon electrode 4 attached to the electrode base 1. Further, a molybdenum cylinder 13 is installed above the molybdenum crucible 8, and its upper end is covered with a molybdenum lid 14 having a hole in the center.
本実施例ではEFG法を適用して成長させるため、モリブデン坩堝8の中央にダイ10を設置している。ダイ10は幅40mm×高さ40mm×厚さ1mmの板2枚から成り、板の隙間が0.6mmになるよう構成し、モリブデン坩堝8の中心に配置した。 In this embodiment, the die 10 is installed in the center of the molybdenum crucible 8 in order to grow by applying the EFG method. The die 10 was composed of two plates having a width of 40 mm, a height of 40 mm, and a thickness of 1 mm. The die 10 was configured such that the gap between the plates was 0.6 mm, and was arranged at the center of the molybdenum crucible 8.
ここで、カーボン保温材6の内径は80mm、カーボンヒーター7の内径は60mm、モリブデン円筒13は内径φ55mm、高さ100mmで坩堝側にはさらに内径φ50、高さ50mmの円筒が入った2重構造となっている。モリブデン蓋14は穴の内径20mm、外径80mm、厚み0.5mm、モリブデン坩堝8は直径50mm、深さ30mm、厚さ2mmである。 Here, the carbon heat insulating material 6 has an inner diameter of 80 mm, the carbon heater 7 has an inner diameter of 60 mm, the molybdenum cylinder 13 has an inner diameter of 55 mm and a height of 100 mm, and the crucible side further includes a cylinder having an inner diameter of 50 mm and a height of 50 mm. It has become. The molybdenum lid 14 has an inner diameter of 20 mm, an outer diameter of 80 mm, and a thickness of 0.5 mm. The molybdenum crucible 8 has a diameter of 50 mm, a depth of 30 mm, and a thickness of 2 mm.
YAG単結晶の育成において、高純度の酸化イットリウム(Y2O3)、酸化アルミニウム(Al2O3)粉末を所要の比になるように秤量混合した原料45gをモリブデン坩堝8に入れ、以下のような手順で溶かし込んだ。カーボンヒーター7に電流を流し、モリブデン坩堝8内の原料を溶かすと原料融液9となり、ダイ10の隙間から原料が上昇する。本実施例の装置では、結晶の育成領域にアルゴンガスを流入し、カーボンが蒸発しないアルゴンガス圧力と温度領域の上限で、かつ効率よく原料のガス出しが出来る最適条件として、温度1550℃〜1850℃、アルゴンガス圧力0.02〜0.06MPaを選択した。その最適な高温減圧アルゴン雰囲気で30分以上放置した後、3時間かけて原料を溶解させた。このとき融液温度は上昇せず、結晶引き上げ軸12の先端の種結晶11が溶けることなくシーディングが出来た。このときのカーボンヒーター7に流れた電流は390Aで、電圧は31.5Vであった。固化したメルトは透明な結晶状態であり、シーディング後、4mm/hで種結晶を引き上げたところ、幅45mm×厚さ27mm、長さ100mmの結晶欠陥や歪の無い高品質結晶が得られた。なお、実験においては、装置各部の構造や形状、目的とする結晶、育成条件によっては、圧力は減圧雰囲気であれば有効であることが確認できた。 In growing a YAG single crystal, 45 g of a raw material prepared by weighing and mixing high-purity yttrium oxide (Y 2 O 3 ) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) powders to a required ratio is put in a molybdenum crucible 8, and the following It was melted in the following procedure. When an electric current is passed through the carbon heater 7 to melt the raw material in the molybdenum crucible 8, the raw material melt 9 is formed, and the raw material rises from the gap of the die 10. In the apparatus of this example, argon gas is allowed to flow into the crystal growth region, and the optimum condition for efficiently degassing the raw material at the upper limit of the argon gas pressure and temperature region where carbon does not evaporate is 1550 ° C to 1850 ° C. C. and an argon gas pressure of 0.02 to 0.06 MPa were selected. After leaving it for 30 minutes or more in the optimum high-temperature reduced pressure argon atmosphere, the raw material was dissolved over 3 hours. At this time, the melt temperature did not rise, and seeding was possible without melting the seed crystal 11 at the tip of the crystal pulling shaft 12. At this time, the current flowing through the carbon heater 7 was 390A, and the voltage was 31.5V. The solidified melt was in a transparent crystalline state, and after seeding, when the seed crystal was pulled up at 4 mm / h, a high-quality crystal having a width of 45 mm × thickness of 27 mm and a length of 100 mm without crystal defects and distortion was obtained. . In the experiment, depending on the structure and shape of each part of the apparatus, the target crystal, and the growth conditions, it was confirmed that the pressure was effective in a reduced pressure atmosphere.
YAG単結晶を育成した後、さらにそれを1200℃〜1850℃の酸素雰囲気で熱処理を行った。図2はこの場合のYAG単結晶の熱処理温度と光透過率の関係を測定した結果の一例を示す図であり、波長370nmにおける光透過率を示す。1200℃以上の温度においては波長370nm付近の吸収が消え、実用上問題のない光透過率特性が得られることを確認した。熱処理温度を1850℃以上に設定した場合には前述のようにカーボンの昇華が生ずるので、熱処理温度は1850℃以下が望ましい。また、酸素分圧がより高い雰囲気では、熱処理温度は1100℃以上であれば有効であることが実験により確認できた。このように1100℃〜1850℃の酸素雰囲気での熱処理により、さらに高品質の単結晶が得られる。 After growing the YAG single crystal, it was further heat-treated in an oxygen atmosphere at 1200 to 1850 ° C. FIG. 2 is a diagram showing an example of the result of measuring the relationship between the heat treatment temperature and the light transmittance of the YAG single crystal in this case, and shows the light transmittance at a wavelength of 370 nm. It was confirmed that absorption at a wavelength of around 370 nm disappeared at a temperature of 1200 ° C. or higher, and light transmittance characteristics having no practical problem were obtained. When the heat treatment temperature is set to 1850 ° C. or higher, carbon sublimation occurs as described above. Therefore, the heat treatment temperature is preferably 1850 ° C. or lower. In an atmosphere with a higher oxygen partial pressure, it was confirmed by experiments that the heat treatment temperature was 1100 ° C. or higher. Thus, a higher quality single crystal can be obtained by heat treatment in an oxygen atmosphere at 1100 ° C. to 1850 ° C.
なお、結晶育成においてダイ10の隙間を0.1mmとした場合には原料の供給量が少ないため高速育成することが出来ず、1.5mm以上ではダイ10表面に原料融液9が上昇しない。このため、ダイ10の隙間は上記のように0.6mmに設定した。これは、毛細管現象により原料融液9が効率よくダイ表面に上昇するための本実施例における最適寸法である。 In the crystal growth, when the gap between the dies 10 is 0.1 mm, the supply amount of the raw material is small, so that the high-speed growth cannot be performed, and when the gap is 1.5 mm or more, the raw material melt 9 does not rise on the surface of the die 10. For this reason, the gap of the die 10 was set to 0.6 mm as described above. This is the optimum dimension in the present embodiment for efficiently raising the raw material melt 9 to the die surface by capillary action.
また、比較条件として、本実施例の装置を用いて、カーボンヒーター6の電流を400A、電圧を32Vとして、ガス出しをせずに、1時間で溶融させた後、シーディングした場合、種結晶11は溶けてしまった。これは、原料に含まれる酸素によってモリブデン坩堝8が溶け出し、モリブデンが混入した原料融液9の融点が上昇したためである。 Further, as a comparative condition, when using the apparatus of this example, the current of the carbon heater 6 is set to 400 A, the voltage is set to 32 V, and the seed crystal is melted in one hour without gassing and then seeded. 11 has melted. This is because the molybdenum crucible 8 is melted out by oxygen contained in the raw material, and the melting point of the raw material melt 9 mixed with molybdenum is increased.
上記の本実施例の装置の最適条件で育成した単結晶の場合、固化したメルトは透明な結晶状態であったが、後述の比較条件で育成した場合のメルトは不透明な金属光沢をもつ表面であった。このことからも比較条件での育成の場合には、モリブデン坩堝8からモリブデンが溶け出して融液温度が上昇していることは明らかである。 In the case of a single crystal grown under the optimum conditions of the above-described apparatus of the present embodiment, the solidified melt was in a transparent crystalline state, but the melt when grown under the comparative conditions described below has a surface with an opaque metallic luster. there were. From this, it is clear that in the case of growth under comparative conditions, molybdenum melts out of the molybdenum crucible 8 and the melt temperature rises.
本実施例の装置の最適条件で育成した場合、結晶欠陥や歪の無い高品質の板状結晶が得られた。その板状結晶の直交クロスニコル写真を撮影したところ歪は見られなかった。 When grown under the optimum conditions of the apparatus of this example, high-quality plate crystals without crystal defects and distortion were obtained. When an orthogonal crossed Nicol photograph of the plate crystal was taken, no distortion was observed.
本発明の有効性を確認するため、従来の製造方法でYAG結晶の育成を行った。ここで使用した製造装置は、カーボン保温材6の内面のモリブデンプレート15がなく、モリブデン円筒13の代わりにカーボンの円筒を用い、モリブデン蓋14の代わりにカーボンの蓋を用いたことのみが実施例1で用いた図1の装置と異なり、他の部分や形状は図1の装置と同じである。また、育成の雰囲気や温度も実施例1と同様な制御を行った。 In order to confirm the effectiveness of the present invention, YAG crystals were grown by a conventional manufacturing method. The manufacturing apparatus used here does not have the molybdenum plate 15 on the inner surface of the carbon heat insulating material 6, uses a carbon cylinder instead of the molybdenum cylinder 13, and uses a carbon lid instead of the molybdenum lid 14. Unlike the apparatus of FIG. 1 used in FIG. 1, other parts and shapes are the same as those of the apparatus of FIG. The growth atmosphere and temperature were also controlled in the same manner as in Example 1.
このようにして従来の方法で育成した結晶の直交クロスニコル写真を撮影したとこと、黒い点や明るい縞状に見える結晶欠陥や歪が確認された。また、その結晶の表面には白色の層ができており、その層を蛍光X線分析を行ったところ、酸化イットリウム(Y2O3)の層であることが確認された。これは、蒸発したカーボンがメルト内に混入し、YAG原料を分解、蒸発して生じたイットリウム(Y)あるいは炭化イットリウム(YC2)などが結晶表面に付着した後、酸化して酸化イットリウム(Y2O3)になったものと思われる。この反応としては以下の反応が生じていると考えられる。
Y2O3+3C=2Y+3CO↑
または、 Y2O3+3C=Y2C+2CO↑+O↑
結晶付着後は、2Y+3O→Y2O3
Al2O3+9C=Al4C3(融液に残存)+6CO↑
In this way, an orthogonal crossed Nicols photograph of the crystal grown by the conventional method was taken, and crystal defects and distortions appearing as black dots or bright stripes were confirmed. Further, a white layer was formed on the surface of the crystal, and when this layer was subjected to fluorescent X-ray analysis, it was confirmed to be a layer of yttrium oxide (Y 2 O 3 ). This is because evaporated carbon is mixed in the melt, YAG raw material is decomposed and evaporated, and yttrium (Y) or yttrium carbide (YC 2 ) adheres to the crystal surface and then oxidizes to yttrium oxide (Y 2 O 3 ). The following reactions are considered to occur as this reaction.
Y 2 O 3 + 3C = 2Y + 3CO ↑
Or, Y 2 O 3 + 3C = Y 2 C + 2CO ↑ + O ↑
After crystal deposition, 2Y + 3O → Y 2 O 3
Al 2 O 3 + 9C = Al 4 C 3 (residual in the melt) + 6CO ↑
図3は作成されたYAG単結晶の外観写真を示し、(a)は実施例1により作成された単結晶、(b)は比較例の製造方法において作成された単結晶である。これからも実施例1の製造方法では、上記の従来の製造方法の比較例による歪みが大きい外観形状と比べて優れた外観形状の高品質のYAG結晶が得られることがわかる。 FIG. 3 shows an external appearance photograph of the produced YAG single crystal, (a) is a single crystal produced according to Example 1, and (b) is a single crystal produced by the production method of the comparative example. From this, it can be seen that in the manufacturing method of Example 1, a high-quality YAG crystal having an excellent appearance shape can be obtained as compared with the appearance shape having a large distortion according to the comparative example of the conventional manufacturing method.
図4は、実施例1と比較例の製造方法において、結晶引上げ軸方向の温度分布を測定した結果を示す図である。実施例1の方はモリブデンプレートの存在により結晶成長に適した温度分布が得られているのに対して、従来装置ではそれよりも温度勾配が小さく、十分な温度制御ができていないことがわかる。 FIG. 4 is a diagram showing the results of measuring the temperature distribution in the crystal pulling axis direction in the manufacturing methods of Example 1 and Comparative Example. In the case of Example 1, a temperature distribution suitable for crystal growth is obtained due to the presence of the molybdenum plate, whereas the conventional apparatus has a smaller temperature gradient than that, and it is understood that sufficient temperature control is not possible. .
以上のように、本発明による実施例1の製造方法では上記の従来の製造方法による比較例と比べて高品質のYAG結晶が得られることが確認できた。 As described above, it was confirmed that the production method of Example 1 according to the present invention can provide a high quality YAG crystal as compared with the comparative example obtained by the conventional production method.
さらに実施例1において引き上げ速度を1〜10mm/hまで変えて結晶を育成し、その結晶品質を確認したところ、表1に示す通り、8mm/h以下の引き上げ速度で品質の良い結晶が得られることを確認した。表中のそれぞれの評価項目で、○は良好な状態、△は不十分な状態であることを示している。
なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、目的とする単結晶の特性や形状などに応じて変更可能である。例えば、坩堝の材料としてはタングステンやタンタルを用いることができる。製造装置の各部の構造、形状、材質なども目的とするYAG結晶の特性、形状に合わせて変更可能である。また、使用する製造装置の各部の構造や形状などによって、各部の温度などの育成条件も最適化することが望ましい。YAG単結晶には使用目的に合わせて、Nd、Ceなどの添加物が添加されてもよい。 Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be changed according to the characteristics and shape of the target single crystal. For example, tungsten or tantalum can be used as the crucible material. The structure, shape, material and the like of each part of the manufacturing apparatus can be changed according to the characteristics and shape of the target YAG crystal. It is also desirable to optimize the growth conditions such as the temperature of each part depending on the structure and shape of each part of the manufacturing apparatus to be used. Additives such as Nd and Ce may be added to the YAG single crystal according to the purpose of use.
本発明は、安価な板状の結晶が要求される携帯電話、スマートフォン、タブレット型情報端末などの携帯型端末機器や時計などの表示部の窓材として使用されるYAG単結晶の製造方法にも適用することができる。 The present invention is also applied to a method for producing a YAG single crystal used as a window material for a display unit of a portable terminal device such as a mobile phone, a smart phone, or a tablet information terminal, or a watch, which requires an inexpensive plate-like crystal. Can be applied.
1 電極ベース
2 保温材ベース
3 カーボン断熱材
4 カーボン電極
5 モリブデン坩堝台
6 カーボン保温材
7 カーボンヒーター
8 モリブデン坩堝
9 原料融液
10 ダイ
11 種結晶
12 結晶引上げ軸
13 モリブデン円筒
14 モリブデン蓋
15 モリブデンプレート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrode base 2 Heat insulating material base 3 Carbon heat insulating material 4 Carbon electrode 5 Molybdenum crucible stand 6 Carbon heat insulating material 7 Carbon heater 8 Molybdenum crucible 9 Raw material melt 10 Die 11 Seed crystal 12 Crystal pulling shaft 13 Molybdenum cylinder 14 Molybdenum lid 15 Molybdenum plate
Claims (6)
前記単結晶が育成される領域の周囲の少なくとも一部に、前記領域に面する側がモリブデンプレートに覆われたカーボンからなる保温材を用い、
前記領域にアルゴンガスを流入し、前記領域のアルゴンガス圧力を0.02MPa〜0.06MPa、前記坩堝の温度を1550℃〜1850℃とした状態で、前記原料および前記保温材のガス出しを行い、
その後、前記原料を溶融させること、
を特徴とするイットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶の製造方法。 In the method for producing yttrium aluminum garnet single crystal, the raw material of yttrium aluminum garnet single crystal is put in a crucible and melted, and the single crystal is grown.
Wherein at least part of the periphery of a region where the single crystal is grown, have use a heat insulating material made of carbon side facing the area covered by molybdenum plate,
Argon gas was introduced into the region, and the raw material and the heat insulating material were outgassed in a state where the argon gas pressure in the region was 0.02 MPa to 0.06 MPa and the temperature of the crucible was 1550 ° C. to 1850 ° C. ,
Then, melting the raw material,
A method for producing an yttrium / aluminum / garnet single crystal.
After growing the single crystal, the production of yttrium-aluminum-garnet single crystal according to any one of claims 1 to 5, characterized in that heat treatment of the single crystal in an oxygen atmosphere at 1100 ℃ ~1850 ℃ Method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014109581A JP6347673B2 (en) | 2014-05-27 | 2014-05-27 | Method for producing YAG single crystal |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014109581A JP6347673B2 (en) | 2014-05-27 | 2014-05-27 | Method for producing YAG single crystal |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015224159A JP2015224159A (en) | 2015-12-14 |
JP6347673B2 true JP6347673B2 (en) | 2018-06-27 |
Family
ID=54841201
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014109581A Active JP6347673B2 (en) | 2014-05-27 | 2014-05-27 | Method for producing YAG single crystal |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6347673B2 (en) |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008024549A (en) * | 2006-07-21 | 2008-02-07 | Tohoku Univ | Method and apparatus for manufacturing single crystal |
JP5459004B2 (en) * | 2010-03-24 | 2014-04-02 | 住友金属鉱山株式会社 | Method for producing sapphire single crystal |
CZ201188A3 (en) * | 2011-02-17 | 2013-02-20 | Crytur Spol. S R. O. | Preparation of doped garnet structure single crystals with diameters of up to 500 mm |
JP5780114B2 (en) * | 2011-10-28 | 2015-09-16 | 株式会社Sumco | Method for producing sapphire single crystal |
TW201235518A (en) * | 2012-03-06 | 2012-09-01 | Tera Xtal Technology Corp | Sapphire material and production method thereof |
-
2014
- 2014-05-27 JP JP2014109581A patent/JP6347673B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2015224159A (en) | 2015-12-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101708131B1 (en) | SiC SINGLE CRYSTAL INGOT AND PRODUCTION METHOD THEREFOR | |
JP6800468B2 (en) | A gallium oxide crystal manufacturing device, a gallium oxide crystal manufacturing method, and a crucible for growing gallium oxide crystals used for these. | |
US9732436B2 (en) | SiC single-crystal ingot, SiC single crystal, and production method for same | |
EP2940196B1 (en) | Method for producing n-type sic single crystal | |
WO2012127703A1 (en) | Method for producing sic single crystals and production device | |
TWI747834B (en) | Manufacturing method of silicon carbide single crystal | |
WO2013108567A1 (en) | Seed crystal isolating spindle for single crystal production device and method for producing single crystals | |
EP2891732B1 (en) | Method for producing sic single crystal | |
US9732437B2 (en) | SiC single crystal and method for producing same | |
JP2016079080A (en) | METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING β-Ga2O3 CRYSTAL, AND CRUCIBLE CONTAINER | |
JP4835582B2 (en) | Method for producing aluminum oxide single crystal | |
JP2010150052A (en) | Apparatus for growing sapphire single crystal | |
JP4904862B2 (en) | Method for producing aluminum oxide single crystal and obtained aluminum oxide single crystal | |
JP2013060352A (en) | Crucible furnace | |
JP6347673B2 (en) | Method for producing YAG single crystal | |
JP2015189616A (en) | Manufacturing method of sapphire single crystal | |
JP6935738B2 (en) | Method for manufacturing SiC single crystal | |
JP6500977B2 (en) | Method of manufacturing SiC single crystal | |
JP2018135228A (en) | METHOD FOR GROWING LiTaO3 SINGLE CRYSTAL AND METHOD FOR PROCESSING LiTaO3 SINGLE CRYSTAL | |
JP7078933B2 (en) | Seed crystal for growing single crystal of iron gallium alloy | |
US10519565B2 (en) | SiC single crystal and method for producing same | |
JP2010280546A (en) | Method for producing silicon carbide single crystal | |
US10415152B2 (en) | SiC single crystal and method for producing same | |
JP6598111B2 (en) | Method for producing SiC single crystal | |
KR20160115724A (en) | Cu-Ga ALLOY SPUTTERING TARGET |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170522 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20170522 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20170522 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180125 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180222 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180403 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180511 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20180529 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6347673 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |