JP6633455B2

JP6633455B2 - 坩堝

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Publication number: JP6633455B2
Application number: JP2016107210A
Authority: JP
Inventors: ▲隆▼康木崎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2036-05-30
Also published as: EP3467158A4; WO2017209144A1; US20190211470A1; EP3467158A1; CN109312490A; JP2017214229A

Description

本態様は、単結晶育成装置に使用される坩堝に関する。

垂直ブリッジマン（ＶＢ）法、カイロポーラス（ＫＹ）法、ＣＺ（チョクラルスキー）法などによる単結晶育成装置用の坩堝として、金属製の坩堝が用いられている。特に、サファイア（単結晶アルミナ）などの高融点材料の単結晶育成には、イリジウム、モリブデン、タングステンおよびそれらを主成分とする合金からなる坩堝が知られている（例えば下記特許文献１参照）。

坩堝の製造方法としては、下記特許文献２および特許文献３に、側部となる矩形板を円筒形状とし、底部となる円形板に溶接により接合する方法が開示されている。

特開２０１０−５２９９３号公報特開平５−１４８０７４号公報特開２００６−２０５２００号公報

しかし、単結晶育成用の坩堝は、使用によって変形しやすいという課題があった。例えば、融液が凝固する際の体積変化、坩堝と固化物との熱膨張率の差などにより、坩堝が変形しやすい。坩堝が変形すると、坩堝の均熱化の妨げとなったり、周囲の部材と干渉したりし、最悪の場合は坩堝が破損する。

なお、坩堝が融液によって酸化（変質）してしまっては、固化時における破損につながりやすくなる。そのため、酸化の観点からは、モリブデンやタングステン等よりも、イリジウムや白金の方がよい。しかし、これらイリジウムや白金は高価な材料であるため、購入コストに見合ったものとするには、繰り返しの使用に耐え得るものである必要がある。また。今般の量産性の向上のための育成する単結晶の大型化に応えるために、坩堝も大型化してきているが、大型化した坩堝は、部分的な熱分布差や応力分布差が大きくなるため、さらに変形しにくいことが求められる。また、イリジウムや白金が主成分である大型化の坩堝はさらに高価であるため、複数回の使用に耐え得るものでなければならない。

そこで、本態様は、強度に優れるとともに変形しにくいことによって、繰り返しの使用に耐え、ランニングコストの低い坩堝を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、イリジウムまたは白金を主成分とし、底部と筒状部とを有し、該筒状部は、複数の部位からなり、各部位が隣り合う位置に環状の厚肉部を備えることを特徴とする坩堝を提供する。

また、イリジウムまたは白金を主成分とし、底部と筒状部とを有し、該筒状部は、複数の部位からなり、各部位が隣り合う位置に環状の第１溶接部を備えることを特徴とする坩堝を提供する。

本態様の坩堝は、強度に優れるとともに変形しにくく、繰り返しの使用に耐えることができるため、ランニングコストが低い。

本態様の坩堝の一実施形態を示す断面図である。本態様の坩堝の他の実施形態を示す断面図である。本態様の坩堝の他の実施形態を示す断面図である。本態様の坩堝の他の実施形態を示す断面図である。本態様の坩堝の他の実施形態を示す断面図である。本態様の坩堝の他の実施形態を示す側面図である。本態様の坩堝の他の実施形態を示す側面図である。本態様の坩堝の他の実施形態を示す断面図である。

本実施形態の坩堝１０について、図を参照しながら説明する。図１〜４は本実施形態の複数の例を示す断面図である。

坩堝１０は、イリジウムまたは白金を含んでなり、底部１と筒状部２とを有し、筒状部２は、複数の部位からなり、各部位が隣り合う位置に環状の厚肉部３を備える。単結晶育成に用いられる坩堝１０は、底部１の直径（Φ）、および高さが約１００ｍｍ以上の比較的大型の坩堝である。筒状部２は第１部位２ａと第２部位２ｂを備えて構成されている。図１に示す坩堝１０は、底部１と、底部１と接続する第１部位２ａと、第１部位２ａと接続する第２部位２ｂと、第１部位２ａと第２部位２ｂと隣り合う位置に、環状の第１厚肉部３ａを有する。第１厚肉部３ａは肉厚が大きく、いわゆる補強リングの役割をなす。第１厚肉部３ａを有する坩堝１０は変形しにくい。

本実施形態の第１厚肉部３ａおよび後述する各厚肉部は、坩堝１０を構成する複数の部位を溶接することで形成されている。各図において、溶接によって形成された部分については、筒状部２とは異なる太さの（太い）斜線ハッチングで示している。

また坩堝１０では、第１厚肉部３ａを有している分だけ、熱履歴によって坩堝１０の構成材料（本実施形態ではイリジウムまたは白金）の結晶の成長に伴って生じるクラックの進展を抑制できるため、強度低下を低減できる。この点でも坩堝１０は強度に優れ、変形しにくい。

第１厚肉部３ａは、坩堝１０の外周に設けられている。すなわち、第１厚肉部３ａは、坩堝１０の外周面から外側に向かって凸状である。上記クラック等は坩堝１０の外周面に生じやすく、第１厚肉部３ａが外側に凸状であることで、これらクラックの進展を効果的に抑制することができ、クラック等にともなう強度低下等を効果的に抑制することができる。

なお、本実施形態の坩堝１０は、イリジウムを主成分（イリジウムやイリジウムを含む合金等）とする。ここで主成分とは、坩堝１０の総量に対し、質量比で５０％を超える成分のこととする。なお、坩堝１０は、白金を主成分とするものであってもよい。イリジウムや白金は、モリブデン、タングステンなどと比較して、酸化されにくいので、坩堝１０は、特にタンタル酸リチウムなどの酸化物単結晶製造用に適している。また、イリジウムは、サファイアの融点（約２０５０℃）においても酸化されにくく安定しているので、サファイア単結晶製造用に適している。

なお、坩堝１０は図１に示すように、底部１と筒状部２との境界部分、いうなれば底部１と筒状部２とのコーナー部分にも底部厚肉部５を有していてもよい。応力等が集中し易いコーナー部分に底部厚肉部を有することで、坩堝１０の変形等がさらに抑制される。

図２、図３、図４は、他の実施形態を示す断面図である。図２に示す坩堝１２のように、図１で示す坩堝１０よりも多くの部位（第１部位２ａ、第２部位２ｂ、第３部位２ｃ）と複数の厚肉部３（第１厚肉部３ａ、第２厚肉部３ｂ）とを有していてもよい。つまり、Ｎを１以上の自然数としたとき、筒状部２がＮ＋１個の部位を有し、各部位を接合するＮ個の厚肉部３を有していてもよい。例えばＮ＝２のとき、坩堝１２は、図２のように、筒状の第３部位２ｃと第２部位２ｂとの間に配置された第２厚肉部３ｂと、筒状の第２部位２ｂと第１部位２ａとの間に配置された第１厚肉部３ａとを有している。厚肉部３を複数備えることで、坩堝１２の強度はより向上する。

また図３に示す坩堝１３のように、第１厚肉部３ａが、外径（外周）において筒状部２とほぼ面一となっており、内径側にはみだすように厚みが大きくなっていてもよい。この場合でも、坩堝１３の強度は比較的高く、変形しがたい。

また、図４に示す坩堝１４のように、筒状部２は、底部１側における部位の厚みが、筒状部２の開口側に位置する部位の厚みよりも大きくなっていてもよい。具体的には、図４に示す第１部位２ａの厚みが、第２部位２ｂの厚みよりも大きい。これにより、特に変形しやすい領域である、坩堝１４の下部領域の強度が向上する。なお、図４に示すように、第１部位２ａの外径が第２部位２ｂの外径と略同じである場合、第１部位２ａと第２部位２ｂは面一の関係となり、比較的クラック等は生じやすい外周面における応力集中等を抑制するので、坩堝１４は変形しにくい。

以下の記載においては、図１〜図４の坩堝１０、１２、１３、１４に共通するものであるため、煩雑なものとならぬよう坩堝１０と記載して説明する。坩堝１０は、使用を重ねると、その熱履歴によって結晶粒の成長が見られる。金属は一般に粒径が大きくなると強度が低下する（ホール・ペッチの関係式）。また、結晶粒の成長に合わせて、粒界同士の押し合いにともなうクラック等が成長し易く、このようなクラックによる強度低下が生じ易い。

第１厚肉部３ａは補強リングとしての機能を有するとともに、このような結晶粒や粒界の成長によって生じたクラックの進展を遮断する機能を有する。これにより、特に底部１に近い部分で生じ易いクラック等の進展が、坩堝１０の上部に進行することを抑制することができる。

このような厚肉部（第１厚肉部３ａや第２厚肉部３ｂ等）は、例えば溶接によって容易に形成することができる。溶接によって生じた接合部分における金属組織は、例えば鍛造によって形成された筒状部２における金属組織とは、例えば結晶粒の大きさが大きく異なるなど、それぞれ異なった状態となる。金属組織が異なることで、クラックの進展等が抑制されるので、第１厚肉部３ａを溶接によって形成することで、クラック等の進展をより確実に抑制し、坩堝１０をさらに変形し難くすることができる。

図５〜図８は、坩堝の他の実施態様について説明する断面図または側面図である。図５に示す坩堝１５は、底部１と底部１に繋がる筒状部２とを有し、筒状部２は、複数の部位からなり、各部位が隣り合う位置に環状の第１溶接部３０を備える。また、底部１と筒状部２との境界部分、いうなれば底部１と底部２とのコーナー部分にも底部溶接部５０を有している。

図５に示す坩堝１５は、第１溶接部３０の厚さが、隣り合った部位（第１部位２ａおよび第２部位２ｂ）の厚さと同等である。このような構成を満たす坩堝１５は、溶接部３０において金属組織が異なることから、クラック等の進展を抑制することができるため、坩堝１５は変形し難い。また、溶接条件等を調整することで、溶接部３０の機械的強度を高めた場合など、この第１溶接部３０は補強リングとして機能することができ、坩堝１５の変形等をさらに抑制することができる。

図６に示す坩堝１６は、第１溶接部３０と繋がった、第１溶接部３０と非平行な第２溶接部４０を備える。この場合、第２溶接部４０もクラック等の進展の抑制の効果があるので、坩堝１６の強度がより高くなっている。また図６に示す坩堝１６は、第２溶接部４０が第１溶接部３０に直交している。

図７に示す坩堝１７は、第１部位２ａに設けられた第２溶接部４０ａと第２部位２ｂに設けられた第２溶接部４０ｂを有し、第２溶接部４０ａと第２溶接部４０ｂは、周方向において離間している例を示している。

図８に示す坩堝１８は、第１溶接部３０が、内径から外径に向かって下り傾斜である。この場合、溶接金属が坩堝内内壁まで回りこみにくい。また、坩堝１０の内周側から外向きに広げるような圧力がかかった場合など、第１溶接部３０の変形や剥がれが比較的生じ難い。

また、図１〜図８に示す坩堝は、例えば加熱や冷却が繰り返される、坩堝１８の下部領域（底部１と第１部位２ａ）にクラックや変形が生じたとしても、これら坩堝１８の下部領域の不良部分（例えば第１部位２ａのみ）を修理・交換すればよく、坩堝１８の上部領域（例えば図４では第２部位２ｂ）は繰り返し再利用可能となっている。

以上、複数の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得る。例えば、底部１は円板形状に限らず、楕円形状、矩形形状などでも可能である。例えば、筒状部２は、上部ほど広がっている形状であってもよい。

＜坩堝の製造方法＞
以下、坩堝の製造方法の一例を説明する。以下の実施形態では、イリジウムからなる坩堝を製造する場合を例にしている。まず、イリジウムを溶解・鋳造してイリジウムインゴットを製造する。そして、インゴットを鍛造、圧延し、平板に加工する、そして、平板から、底部１となる円板と、筒状部２となる複数の矩形板とを切り出す。

次に、複数の矩形板を円筒状に加工して端部をつき合わせ溶接して円筒状の第１部位２ａと第２部位２ｂを形成する。このつき合わせ部の溶接部分は第２溶接部４０に対応する部分となる。溶接方法としては、ＭＩＧ溶接（metal inert gas welding）、ＴＩＧ溶接
（Tungsten Inert Gas welding）などのアーク溶接を用いることができる。

次に、第１部位２ａの下端と円板状の底部１とを溶接により接合する。これにより、底部１と第１部位２ａとが接合された溶接部５０が形成される。溶接方法としては、同様にアーク溶接を用いることができる。さらに、第１部位２ａの上端と第２部位２ｂの下端とを溶接により接合する。これにより、第１部位２ａと第２部位２ｂとが接合された第１溶接部３０が形成される。溶接方法としては、同様に、アーク溶接を用いることができる。アーク溶接等の溶接によって形成された第１溶接部３０や底部溶接部５０を形成した場合、この溶接部分は容易に厚肉状にできる。すなわち、溶接によって、第１溶接部３０の形状を第１厚肉部３ａのように厚肉状にすることができる。また同様に、底部溶接部５０の形状を溶接部５のように厚肉状にすることができる。

上記方法により、底部１と、底部１と接続する筒状の第１部位２ａと、第１部位２ａと接続する筒状の第２部位２ｂと、第１部位２ａと第２部位２ｂとを接合する第１厚肉部３ａを有する図１に示す坩堝１０や、第１溶接部３０を有する図７に示す坩堝１７などを形成することができる。

また、例えば、厚みの異なる平板からそれぞれ、第１部位２ａ、第２部位２ｂとなる矩形板を切り出すことで、筒状部２における各部位の厚みを変えることができる。厚みの大きい第１の平板から底部１と第１部位２ａを、厚みの小さい第２の平板から第２の側２ｂを切り出して、坩堝を形成すると、底部１と第１部位２ａの厚みが第２部位２ｂの厚みよりも大きい坩堝１４が形成できる。

また、第１溶接部３０を形成するとき、筒状部２となる矩形板の、突合せ端面（例えば、第１部位２ａの上端と第２部位２ｂの下端）を斜めに切断することで、図８のような第１溶接部３０が、内径から外径に向かって下り傾斜した坩堝１８を形成できる。これにより、坩堝１８の強度が向上し、変形しにくくなるとともに、溶接時にずれにくく、また、溶接金属が坩堝内内壁まで回りこみにくくなる。第２溶接部４０を形成するときも、同様に、矩形板の端面を斜めに切断して突合せ溶接すると、坩堝の強度が向上する。

以下、本態様の実施例を説明する。

まず、イリジウムを溶解・鋳造して製造したイリジウムインゴットを鍛造、圧延し、厚さ２ｍｍの平板に加工した。これらの平板から、底部となるΦ１０５ｍｍの円板と、第１部位となる７５ｍｍ×３３０ｍｍの矩形板と、第２部位となる７５ｍｍ×３３０ｍｍの矩形板とを切り出した。そして、矩形板を加工して端部をつき合わせ溶接して円筒状の筒状部とし、底部と第１部位の下端、第１部位の上端と第２部位の下端とを、それぞれ溶接して、坩堝を形成した。

また、比較例として、厚さ２ｍｍの平板から、底部となるΦ１０５ｍｍの円板と、筒状部となる１５０ｍｍ×３３０ｍｍの矩形板とを切り出した。そして、矩形板を加工して端部をつき合わせ溶接して円筒状の筒状部とし、底部と筒状部の下端とを溶接して、坩堝を形成した。

それぞれの坩堝を用いて、ＣＺ法によりサファイア単結晶を作成して比較したところ、いずれの坩堝でも、使用前後の坩堝の変形（外径の変化）が２．５ｍｍと、比較例の７．５ｍｍと比べて大きく改善していることがわかった。

１：底部
２：筒状部
２ａ：第１部位
２ｂ：第２部位
２ｃ：第３部位
３：厚肉部
３ａ：第１厚肉部
３ｂ：第２厚肉部
５：底部厚肉部
１０，１２，１３，１４、１５、１６，１７、１８坩堝
３０：第１溶接部
４０：第２溶接部
５０：底部溶接部

Claims

イリジウムまたは白金を主成分とし、
底部と該底部と繋がる筒状部とを有し、
該筒状部は、複数の部位からなり、各部位が隣り合う位置に環状の厚肉部を備えることを特徴とする坩堝。
前記厚肉部を複数備える請求項１記載の坩堝。
前記厚肉部を前記筒状部の外周に備える請求項１または２記載の坩堝。
前記筒状部は、前記底部側における部位の厚みが、前記筒状部の開口側に位置する部位の厚みよりも厚い請求項１〜３のいずれかに記載の坩堝。
前記厚肉部と繋がった、前記厚肉部と非平行な溶接部を備える請求項１〜４のいずれかに記載の坩堝。