JP7006500B2

JP7006500B2 - 粉末状原料の充填方法

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Publication number: JP7006500B2
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Inventors: 大輔土橋
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Description

本発明は、チョクラルスキー法に用いる単結晶育成装置の炉内にある坩堝に、粉末状原料を充填する方法に関するものである。

ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム等の酸化物の単結晶の育成方法としては、一般的にチョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ：以下、「Ｃｚ法」と略称する場合がある）が用いられる。Ｃｚ法は、例えば粉末状原料を金属製坩堝に入れて、ヒータによる高周波等で原料を加熱して原料融液とし、融点付近に保った原料融液に種結晶を回転させながらその先端を接触して（シーディング）、その後、種結晶を回転させながら徐々に引き上げることで、種結晶の下端から種結晶と同一の結晶構造を持つ単結晶を成長させて製造する単結晶育成方法である。

Ｃｚ法は、断熱材で覆われた育成炉を備える単結晶育成装置を用いることができる。単結晶育成装置での育成手順としては、例えば断熱材で構成される育成炉本体の一部を解体して、育成炉本体の上部にある断熱材を取り除き、育成炉本体内にある坩堝台へ坩堝を設置し、坩堝内に粉末状原料を充填する。そして、解体により取り除いた断熱材を再度設置して育成炉本体を組み上げ、その後、育成炉本体内にて原料の融解、シーディング、単結晶の引き上げを行う。これらの手順により、単結晶を育成することができる。単結晶を育成した後、育成炉本体の一部を解体して単結晶を取り出す。単結晶の育成を繰り返す場合には、取り出した単結晶と同じ重量の粉末状原料を坩堝内に追加充填して、単結晶の育成を開始する。

単結晶を育成するにあたり、単結晶の歩留まりを考慮して、原料融液の状態で坩堝に充填可能な最大量（内容積）の９０％を目安に充填されるよう、原料は坩堝に充填される。ただし、粉末状原料の場合には、坩堝の内容積の９０％付近まで坩堝に原料を投入しても、かさ比重と真比重に開きがあるために、原料を融解すると坩堝の内容積の７０％程度まで融液の液面が下がってしまう。

すなわち、粉末状原料の場合には、１回の投入で坩堝に充填可能な最大量の９０％まで原料融液の液面が到達するように、原料を充填することができない。そのため、粉末状原料を坩堝へ１回投入した後に、育成炉本体を組み上げてからヒータを作動し、粉末状原料を完全に融解させて融液とする。その後、原料を冷却してから、育成炉本体の上部を解体し、さらに粉末状原料を坩堝へ投入して育成炉本体を組み直し、再度ヒータを作動させて融解させる必要がある。このような粉末状原料の投入と育成炉本体の組み上げ、融解、そして育成炉本体の解体という操作を繰り返し、坩堝の内容積の９０％を目安として原料を充填する操作が一般的に行われてきた。

つまり、従来技術では、１回の充填操作により単結晶の育成に十分な量の原料を坩堝に充填することができないため、原料の融解および冷却や、育成炉本体の組み上げおよび解体を複数回行うことにより、単結晶の育成に十分な量の原料を坩堝に充填する必要があった。

原料を坩堝へ充填する技術としては、例えば特許文献１では、粉末状原料をエタノールや水等の分散剤と撹拌混合してスラリー化し、このスラリーを坩堝に充填した後に分散剤を蒸発させて原料凝集体を得る操作を複数回行うことで、坩堝に原料を充填する方法がとられている。この方法により、２０時間程度の充填操作で、坩堝への充填率を容量の７０％程度にしている。

また、特許文献２では、粉末状原料を焼結することで、原料のかさ密度を上げる試みが提案されている。具体的には、炭酸リチウムと五酸化タンタルを所定の割合で混ぜた粉末状原料を、約８００ｋｇ／ｃｍ^３の圧力でプレスしてペレット化し、そのペレットを１５８０℃で焼結した焼結体ペレットを原料に用いることが紹介されており、１回の充填で単結晶の育成に十分な量の原料を坩堝に充填できる旨が記載されている。

特開２０１５－２４９２８号公報特開昭５３－１０９９００号公報

上記した従来技術では、単結晶の育成にとって不利なことがある。第１に、育成炉本体中の坩堝より上部にある耐火物を頻繁に解体することになるため、耐火物の損傷に繋がる。第２に、育成炉本体を解体するたびに、育成炉内の環境が変化して原料の融解温度に差が出やすく、単結晶の育成が困難になりやすい。第３に、原料融液の密度と粉末状原料のかさ密度に差があるため、原料の充填を数回にわけておこなう必要があるため、充填操作に時間がかかる。第４に、白金等の貴金属性坩堝を使用した場合、単結晶の育成のみならず原料の充填による加熱および冷却により坩堝が変形してしまい、単結晶の育成が困難になるため、坩堝の寿命が短くなる。このように、従来技術の充填方法では、極めて非効率、非経済的である。

上記の問題に対して、特許文献１に記載の方法は、充填操作そのものにかかる時間を短縮することができるものの、充填操作を繰り返し行う必要がある。また、スラリー化したことで原料濃度が低くなってしまうため、坩堝の容量の９０％まで原料を充填することはできず、７０％程度が目安となる。さらに、スラリー化工程という新たな準備工程が充填前に必要であり、また、最終的には蒸発させてしまう分散剤に対するコストがかかることとなる。

一方、特許文献２に記載の方法は、充填操作そのものは１回で済むかもしれないものの、ペレット化および焼結という新たな準備工程が充填前に必要であり、かつこれらの準備工程には多くの時間を要するだけでなく、育成炉本体内の坩堝中の粉末状原料に対し、直接ペレット化および焼結処理を行うことはできないため、単結晶育成装置が設置された場所とは別の場所で、これらの準備工程を行う必要がある。

本発明は、このような事情に鑑み、原料の融解および冷却や、育成炉本体の組み上げおよび解体を複数回行うことなく、一連の工程を１回行えば、単結晶育成装置の炉内にある坩堝に粉末状原料を充填することのできる、粉末状原料の充填方法を提供する。

上記課題を解決するため、本発明の粉末状原料の充填方法は、チョクラルスキー法に用いる単結晶育成装置の炉内にある坩堝に、粉末状原料を充填する方法において、前記坩堝に有り姿の前記粉末状原料を導入する第１導入段階と、前記坩堝に導入した前記粉末状原料を押圧して押し固める第１押圧段階と、を繰り返すことにより、前記坩堝の内容積の９０％～１００％まで押圧された前記粉末状原料を前記坩堝へ充填する第１充填工程と、前記第１充填工程後、前記坩堝へ充填された前記粉末状原料の上に筒を載せ、当該筒に前記粉末状原料と同種の有り姿の粉末状原料を導入する第２導入段階と、前記筒に導入した前記粉末状原料を押圧して押し固める第２押圧段階と、を繰り返すことにより、押圧された前記粉末状原料を前記筒へ充填する第２充填工程と、を含む。

本発明の粉末状原料の充填方法によれば、原料の融解および冷却や、育成炉本体の組み上げおよび解体を複数回行うことなく、一連の工程を１回行えば、単結晶育成装置の炉内にある坩堝に粉末状原料を充填することができる。

坩堝に粉末状原料を充填した状態の単結晶育成装置の概略断面図である。押圧工程に用いることのできる押し棒の概略側面図である。

以下、本発明の一実施形態にかかる粉末状原料の充填方法について、図１を参照しつつ詳細に説明する。

本発明の粉末状原料の充填方法は、Ｃｚ法に用いる単結晶育成装置の炉内にある坩堝に、粉末状原料を充填する方法である。単結晶育成装置としては、例えば図１に概略断面図を示す装置を用いることができる。

［単結晶育成装置］
単結晶育成装置１０００は、坩堝１０、坩堝台２０、坩堝軸３０、架台４０、下段ヒータ７０、上段ヒータ９０、シード棒１５０を備える。上段ヒータ９０および下段ヒータ７０の外周は、底部断熱材５０、下部側面断熱材６０、中央部断熱材８０、上部側面断熱材１００、および天井部断熱材１２０で覆われている。さらに、これらの断熱材の外周を外壁１１０で覆うことにより、架台４０の上に育成炉が構成される。

坩堝１０は、粉末状原料１４０もしくはこれを融解させた原料融液を保持するための容器である。例えば、円形の底部と、その底部の外縁部から立設した円筒形の側壁部とを有し、上部が開口したいわゆるカップ形状のものを用いることができる。坩堝１０は、例えば、耐熱性のある白金、イリジウムまたはこれらの合金等の金属で作製される。

坩堝台２０は、坩堝１０を載せる台である。坩堝台２０は、例えばジルコニアやアルミナ等の耐熱性のセラミックス製であり、坩堝台２０やこれを支える坩堝軸３０と共に、載置した坩堝１０を上下動させるための駆動機構と組み合わせてもよい。

上段ヒータ９０、下段ヒータ７０は、例えばカーボン、ニクロムまたは二硅化モリブデン製等の電気抵抗を利用する抵抗加熱方式の発熱体を用いたヒータであり、不図示の外部の電源に接続されている。これらのヒータによって、粉末状原料１４０および坩堝１０を加熱し、原料融液や育成中の単結晶の温度を制御する。なお、抵抗加熱方式のヒータに替えて、誘導コイルを用いた高周波誘導加熱方式のヒータを用いてもよい。

底部断熱材５０、下部側面断熱材６０、中央部断熱材８０、上部側面断熱材１００、および天井部断熱材１２０は、外部への熱の放出を抑制する部材であり、例えばジルコニアやアルミナ等の耐熱性のセラミックスまたはフェルトを用いている。

上部側面断熱材１００は、上段ヒータ９０の径方向外方を囲む円筒状の形状を有している。また、天井部断熱材１２０は、上段ヒータ９０および上部側面断熱材１００の上部を覆う円環状の形状を有しており、蓋の役割を果たす。なお、天井部断熱材１２０には、シード棒１５０が上下移動できるように、また、育成炉内にシード棒１５０を挿通できるよう、開口部１２１を有している。開口部１２１は、シード棒１５０の断面よりも大きく形成され、育成される単結晶の断面よりも小さく形成されている。

中央部断熱材８０は、坩堝１０の上端部分を囲む円盤状に形成され、上部への熱の放出を抑制する断熱部材であり、上段ヒータ９０による上部加熱空間Ａ１と下段ヒータ７０による下部加熱空間Ａ２を分離している。下部側面断熱材６０は、外部への熱の放出を抑制する部材であり、下段ヒータ７０の径方向外方を囲む円筒状に形成されている。底部断熱材５０は、単結晶育成装置１０００の下方から外部への熱の放出を抑制する部材であり、架台４０に載置されて単結晶育成装置１０００の下部全体を覆うように構成されている。

上記にて説明した底部断熱材５０、下部側面断熱材６０、中央部断熱材８０、上部側面断熱材１００、および天井部断熱材１２０が、育成炉の炉壁と天井部を構成し、炉壁と天井部に囲まれた領域が炉内Ｓとなる。

シード棒１５０は、坩堝１０に入れられて融解した原料融液の表面に種結晶１６０を接触させ、単結晶を回転させながら引き上げて育成するために用いられるものである。シード棒１５０は、例えば、白金等の材料を用いて構成され、シード棒１５０の下端に種結晶１６０を保持する保持部１５１を有する棒状の部材を用いることができる。シード棒１５０は、単結晶の育成に伴って、種結晶１６０とともに、単結晶を吊り下げて保持することができる。

また、単結晶育成装置１０００においては、単結晶１６０の引き上げおよび回転を、シード棒１５０の引き上げおよびシード棒１５０の軸を中心とした回転により行う。シード棒１５０の上下移動および回転を行うため、例えば、不図示のモータを備えたシード棒駆動手段が設けられていてもよい。また、シード棒１５０の回転速度および引き上げ速度は、形成する単結晶の径の大きさや、直胴部の長さ等により適宜設定することができる。

不図示の制御手段は、結晶育成プロセスを含めた単結晶育成装置１０００全体の制御を行うための手段である。制御手段は、例えば、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ、中央処理装置）、及び、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等のメモリを備えている。また、制御手段は、プログラムにより動作するマイクロコンピュータから構成されてもよいし、特定の用途のために開発されたＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｅｄＩｎｔｅｇｒａＣｉｒｃｕｉｔ）等の電子回路から構成されてもよい。

［粉末状原料の充填方法］
次に、単結晶育成装置１０００の育成炉内にある坩堝１０に、粉末状原料１３０、１４０を充填する方法について説明する。

〈第１充填工程〉
第１充填工程は、以下の第１導入段階と第１押圧段階とを繰り返すことにより、坩堝１０の内容積の９０％～１００％まで、押圧された粉末状原料１４０を坩堝１０へ充填する工程である。後工程である第２充填工程を考慮すると、粉末状原料１４０の充填量が坩堝１０の内容積の１００％を超える場合には、第２押圧段階による押圧により、粉末状原料１４０があふれて坩堝１０から坩堝台２０へこぼれてしまうことで、原料のロスとなるおそれがあるため、好ましくない。また、前記充填量が前記内容積の９０％未満の場合、坩堝１０に原料を充填できる許容量が残っているため、単結晶の育成の歩留まりが低下するおそれがある。原料のロスおよび育成の歩留まりを考慮すると、坩堝１０の内容積の９０％～１００％まで、押圧された粉末状原料１４０を充填することが、最も効率的である。

（第１導入段階）
第１導入段階では、坩堝１０に有り姿の粉末状原料１４０を導入する。例えば、薬さじや漏斗等を用いて、粉末状原料１４０を坩堝１０へ導入することができる。

（第１押圧段階）
第１押圧段階では、第１導入段階で坩堝１０に導入した粉末状原料１４０を押圧して押し固める。粉末状原料１４０を押圧する方法は特に限定されないが、坩堝１０は、単結晶育成装置１０００の育成炉内の坩堝台２０に載置されている。そのため、例えばタップ密度を得るように、坩堝１０を一定高さより一定速度で繰り返し落下させて粉末状原料１４０を圧密することは困難である。そこで、坩堝１０の上方から下方へ向かう圧力を粉末状原料１４０にかけて、押圧することにより押し固めることが好ましい。

粉末状原料１４０に圧力をかける方法は特に限定されないが、例えば、図２に示すポリ塩化ビニル製等の樹脂製の押し棒２００を用いて、押し固めることができる。押し棒２００は、直径３０ｍｍで長さ１２０ｍｍの棒状部２１０の端部２１１に、押し面２２１を有する直径６０ｍｍで厚さ３０ｍｍの円柱状部２２０を備える。棒状部２１０を持って粉末状原料１４０の上部へ押し面２２１を下方へ押しつけることで、粉末状原料１４０を押し固めることができる。

例えば、１度の第１導入段階で大量の粉末状原料１４０を坩堝１０に導入してしまうと、その後に押圧しても坩堝１０の底部付近の粉末状原料１４０を十分に押し固めることができず、十分な量の粉末状原料１４０を坩堝１０へ充填することができない場合がある。そこで、第１導入段階と第１押圧段階とを繰り返すことにより、坩堝１０への粉末状原料１４０の充填量を増加させることができる。例えば、坩堝１０へ粉末状原料１４０を７ｋｇ充填する場合には、１ｋｇの有り姿の粉末状原料１４０を坩堝１０へ導入し（第１導入段階）、導入した粉末状原料を押圧する（第１押圧段階）ことを７回繰り返すことにより、粉末状原料１４０を十分に押し固めることができる。

〈第２充填工程〉
第２充填工程は、前記第１充填工程後、以下の第２導入段階と第２押圧段階とを繰り返すことにより、押圧された粉末状原料１３０を前記筒へ充填する工程である。

（第２導入段階）
第２導入段階では、坩堝１０へ充填された粉末状原料１４０の上に筒を載せ、当該筒に粉末状原料１４０と同種の有り姿の粉末状原料１３０を導入する。単結晶を育成するにあたり、歩留まりを考慮すると、原料融液の状態で坩堝１０の内容積の９０％以上充填されるように、粉末状原料１３０を充填することを要する。ただし、前記第１充填工程のみではこれを満たすことができないため、充填したい粉末状原料の残量を粉末状原料１３０として充填できるよう、筒を用いて坩堝１０の見かけ上の内容積を増加させる。

筒の形状は、残量の粉末状原料１３０を十分に充填可能な容積を有しており、また、坩堝１０内の押し固められた粉末状原料１４０の上に載置できるよう、坩堝１０の直径よりも小さい直径を有するものであれば、特に限定されない。また、押し棒２００と同様に、ポリ塩化ビニル製等の樹脂製の筒を使用することができる。なお、筒への粉末状原料１３０の導入には、例えば、薬さじや漏斗等を用いることができる。

（第２押圧段階）
第２押圧段階では、前記筒に導入した粉末状原料１３０を押圧して押し固める。粉末状原料１３０を押圧する方法は特に限定されないが、第１押圧段階の場合と同様に、坩堝１０は単結晶育成装置１０００の育成炉内の坩堝台２０に載置されている。そのため、タップ密度を得るように圧密することは困難であり、坩堝１０の上方から下方へ向かう圧力を粉末状原料１３０にかけて、押圧することにより押し固めることが好ましい。例えば、第１押圧段階と同様に、押し棒２００を用いて、筒内の粉末状原料１３０を押し固めることができる。

第１充填工程の場合と同様に、例えば、１度の第２導入段階で大量の粉末状原料１３０を筒に導入してしまうと、その後に押圧しても筒の底部付近の粉末状原料１３０を十分に押し固めることができず、十分な量の粉末状原料１３０を筒へ充填することができない場合がある。そこで、第２導入段階と第２押圧段階とを繰り返すことにより、筒への粉末状原料１３０の充填量を増加させることができる。例えば、筒へ粉末状原料１３０を３ｋｇ充填する場合には、１ｋｇの有り姿の粉末状原料１３０を筒へ導入し（第２導入段階）、導入した粉末状原料を押圧する（第２押圧段階）ことを３回繰り返すことにより、粉末状原料１３０を十分に押し固めることができる。

（その他の工程）
本発明の粉末状原料の充填方法を実施するにあたり、他の工程を実施してもよい。例えば、育成炉内の坩堝１０に粉末状原料１３０、１４０を充填するべく、第１導入段階の前に天井部断熱材１２０を取り外す工程や、第２押圧段階の後に坩堝１０から筒を取り除いて天井部断熱材１２０を設置する工程、育成炉内に坩堝１０が設置されていない場合には、坩堝１０を設置する工程等が挙げられる。

粉末状原料１３０、１４０としては、かさ比重と真比重に開きがあるために、従来手法では複数回の充填と育成炉の解体および組み上げが必要であった原料を使用することができる。例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、およびＣａＭｇＺｒ置換型ガリウムガドリニウムガーネットのいずれかを粉末状原料とすることができる。

［単結晶の育成］
次に、単結晶の育成方法について説明する。

粉末状原料１３０、１４０を充填した後、坩堝１０から筒を取り除き、天井部断熱材１２０を設置して育成炉を組み上げる。そして、上段ヒータ９０と下段ヒータ７０に電力を供給して、坩堝１０を加熱し、粉末状原料１３０、１４０を融解させて原料融液を得る。

次に、原料融液の表面温度が単結晶となるのに好適な温度に調整し、シード棒１５０にセットした種結晶１６０を原料融液の表面に接触させ（シーディング）、単結晶となるのに好適な回転数および引上げ速度で単結晶を徐々に上方へ引き上げる。そして、温度、回転数および引き上げ速度等を好適に制御し、単結晶の肩部および直胴部を育成する。これを育成工程という。その後、単結晶が所定の長さになったところで、シード棒１５０の引き上げ速度等を制御し、原料の融液表面と育成した単結晶の下端とを切り離す。その後、切り離した単結晶を冷却して育成を完了させる。これを冷却工程という。

以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は実施例の内容に限定されるものではない。

（実施例１）
粉末状原料としてニオブ酸リチウム（以下、「ＬＮ」と略記する場合がある）粉末を用いて、ＬＮ単結晶の育成に十分な量（１０ｋｇ）の原料を坩堝１０に充填するべく、以下に示す工程に基づき単結晶育成装置１０００の炉内の坩堝１０に粉末状原料１３０、１４０を充填し、チョクラルスキー法によってＬＮ単結晶を育成した。

内径２３０ｍｍ、厚み０．７５ｍｍ、高さ７５．７５ｍｍ（坩堝内側の高さ７５ｍｍ）の白金製坩堝１０に有り姿のＬＮ粉末を１ｋｇ導入し（第１導入段階）、押し棒２００を用いて、坩堝１０内のＬＮ粉末を押圧して押し固めた（第１押圧段階）。これらの第１導入段階と第１押圧段階を７回繰り返して７ｋｇのＬＮ粉末を坩堝１０へ充填し、さらに有り姿のＬＮ粉末を０．５ｋｇ導入して（第１導入段階）、同様に押し固める（第１押圧段階）ことにより、白金製坩堝１０の内容積の９０％の体積まで、押圧されたＬＮ粉末７．５ｋｇを充填した（第１充填工程）。その後、押圧されたＬＮ粉末の上にポリ塩化ビニル製の筒（内径１３２ｍｍ、厚み１４ｍｍ、高さ１４８ｍｍ）を載せ、当該筒の中に有り姿のＬＮ粉末を１ｋｇ導入し（第２導入段階）、押し棒２００を用いて、筒内のＬＮ粉末を押圧して押し固めた（第２押圧段階）。これらの第２導入段階と第２押圧段階を２回繰り返して２ｋｇのＬＮ粉末を筒へ充填し、さらに有り姿のＬＮ粉末を０．５ｋｇ導入して（第２導入段階）、同様に押し固める（第２押圧段階）ことにより、筒内に押圧されたＬＮ粉末２．５ｋｇを充填した（第２充填工程）。これらの工程により、ＬＮ単結晶の育成に十分な量（１０ｋｇ）の原料を坩堝１０に充填することができた。第２充填工程後、筒をゆっくり上に引き抜き、ＬＮ粉末（粉末状原料１４０）の上に直径１３２ｍｍ、高さ８０ｍｍのＬＮ粉末（粉末状原料１３０）を形成した。第１導入段階からここまでの工程に、１時間３０分を要した。

育成炉の組み上げ等の単結晶の育成のための単化粧育成装置１０００のセッティングを行った後（セッティングに１時間を要した）、上段ヒータ９０と下段ヒータ７０の電源を入れて、坩堝１０内のＬＮ粉末（粉末状原料１４０）を融解させた。ＬＮ粉末（粉末状原料１４０）が融解してくると、その上に載置されたＬＮ粉末（粉末状原料１３０）が坩堝１０にだんだんと沈んできて、これも融解した。ヒータ７０、９０の電源の投入から原料の完全融解まで１６時間を要した。原料の融解が確認出来たら、シード棒１５０にセットした種結晶１６０を原料融液面に接触させ、ＬＮ単結晶の育成を行った。

（比較例１）
実施例１と同様のＬＮ粉末および坩堝１０を使用し、白金製坩堝１０に有り姿のＬＮ粉末を１ｋｇ導入し、押し棒２００を用いて、坩堝１０内のＬＮ粉末を押圧して押し固めた。これらの操作を７回繰り返して７ｋｇのＬＮ粉末を坩堝１０へ充填し、さらに有り姿のＬＮ粉末を０．５ｋｇ導入して、同様に押し固めることにより、白金製坩堝１０の内容積の９０％の体積まで、押圧されたＬＮ粉末７．５ｋｇを充填した。そして、育成炉の組み上げ等の単結晶育成装置１０００のセッティングを行った後（セッティングに０．５時間を要した）、上段ヒータ９０と下段ヒータ７０の電源を入れて坩堝１０内のＬＮ粉末を融解させた。ヒータ７０、９０の電源の投入から原料の完全融解まで１６時間を要した。原料の融解が確認出来たら、原料を冷却して原料融液を固化させた。原料の固化に１６時間を要した。これらの工程により、ＬＮ原料が粉末から焼結体となることでＬＮ原料の密度が増し、焼結体の上端が粉末の状態時よりも下がって、原料の容積が坩堝１０の内容積の７０％程度まで下がった。

次に、育成炉の上部を解体し（解体に０．５時間を要した）、坩堝１０にできたスペースに、有り姿のＬＮ粉末を１ｋｇ導入し、押し棒２００を用いて坩堝１０内のＬＮ粉末を押圧して押し固める操作を２回繰り返して、坩堝１０の内容積の９４％の体積まで、ＬＮ粉末２．０ｋｇを充填した（この充填に０．５時間を要した）。そして、単結晶育成装置１０００のセッティングを行った後（セッティングに０．５時間を要した）、上段ヒータ９０と下段ヒータ７０の電源を入れて坩堝１０内のＬＮ粉末を融解させた。ヒータ７０、９０の電源の投入から原料の完全融解まで１６時間を要した。原料の融解が確認出来たら、原料を冷却して原料融液を固化させた。原料の固化に１６時間を要した。これらの工程により、ＬＮ原料を２．０ｋｇ追加することができ、焼結体の上端が粉末の状態時よりも下がって、原料の容積が坩堝１０の内容積の８５％程度まで下がった。

さらに、育成炉の上部を解体し（解体に３０分を要した）、坩堝１０にできたスペースに、坩堝１０の内容積の９１％の体積まで、有り姿のＬＮ粉末０．５ｋｇを導入し、押し棒２００を用いて坩堝１０内のＬＮ粉末を押圧して押し固めて充填した（この充填に２０分を要した）。そして、単結晶育成装置１０００のセッティングを行った後（セッティングに１時間を要した。）、上段ヒータ９０と下段ヒータ７０の電源を入れて坩堝１０内のＬＮ粉末を融解させた。ヒータ７０、９０の電源の投入から原料の完全融解まで１６時間を要した。原料の融解が確認出来たら、シード棒１５０にセットした種結晶１６０を原料融液面に接触させ、ＬＮ単結晶の育成を行った。なお、ＬＮ粉末を融解することが目的であれば、炉内Ｓから過剰に熱が逃げない程度に断熱材を組み上げればよいため、３０分程度の時間で単結晶育成装置１０００をセッティングすることができる。その一方で、単結晶の育成のためには炉内Ｓの温度勾配を厳密に制御することが要求されるため、単結晶を育成するためには単結晶育成装置１０００のセッティングに１時間を要した。

表１に、実施例１において単結晶の育成に必要な量のＬＮ粉末を融解させるまでに要した工程および時間を示す。同様に、表２に、比較例１において単結晶の育成に必要な量のＬＮ粉末を融解させるまでに要した工程および時間を示す。

実施例１の場合、ＬＮ原料の融解および冷却や、育成炉の組み上げおよび解体を複数回行うことなく、一連の工程を１回行えば、単結晶育成装置１００の炉内にある坩堝１０にＬＮ粉末を充填することができた。単結晶の育成に必要な量のＬＮ粉末を融解させるまでに要した時間は１８時間３０分であり（表１）、ＬＮ単結晶の育成を開始するまでに要する時間を大幅に短縮することができた。

一方で、比較例１の場合、単結晶の育成を開始するまでに、ＬＮ粉末を３回充填する必要があった。ＬＮ単結晶の育成に十分な量（１０ｋｇ）の原料を坩堝１０に充填するまでに約６９時間（ＬＮ７．５ＫｇおよびＬＮ２．０Ｋｇの小計時間に、ＬＮ０．５Ｋｇの「ＬＮ粉末の充填」および「単結晶育成装置のセッティング」の工程に要した時間を足した時間）かかった。実施例１ではＬＮ粉末を１時間３０分で充填できたことから、比較例１では実施例１と比較してＬＮ原料の充填に約３４．５倍の時間がかかった。また、ＬＮ粉末の融解までは合計約８５時間かかった。実施例１では１８時間３０分で足りたことから、ＬＮ単結晶の育成を行えるようになるまでに、比較例１は実施例１に比べて約４．６倍の時間が必要であった。

［まとめ］
以上説明したように、本発明であれば、単結晶育成装置の炉内にある坩堝に粉末状原料を充填するにあたり、原料の融解および冷却や、育成炉の組み上げおよび解体を複数回行うことを要しない。すなわち、育成炉を解体する回数が減ることで、第１に断熱材等の耐火物の損傷を防ぐことができる。また、第２に、育成炉の炉内温度が一定になることで、単結晶の育成がやりやすくなる。さらに、第３に、原料を坩堝へ充填するための時間を大幅に短縮することができ、第４に、貴金属性の坩堝の変形を抑制することができる。

１０坩堝
２０坩堝台
３０坩堝軸
４０架台
５０底部断熱材
６０下部側面断熱材
７０下段ヒータ
８０中央部断熱材
９０上段ヒータ
１００上部側面断熱材
１１０外壁
１２０天井部断熱材
１２１開口部
１３０粉末状原料
１４０粉末状原料
１５０シード棒
１６０種結晶
２００押し棒
２１０棒状部
２１１端部
２２０円柱状部
２２１押し面
１０００単結晶育成装置
Ａ１上部加熱空間
Ａ２下部加熱空間
Ｓ炉内

Claims

チョクラルスキー法に用いる単結晶育成装置の炉内にある坩堝に、粉末状原料を充填する方法において、
前記坩堝に有り姿の前記粉末状原料を導入する第１導入段階と、前記坩堝に導入した前記粉末状原料を押圧して押し固める第１押圧段階と、を繰り返すことにより、前記坩堝の内容積の９０％～１００％まで押圧された前記粉末状原料を前記坩堝へ充填する第１充填工程と、
前記第１充填工程後、前記坩堝へ充填された前記粉末状原料の上に筒を載せ、当該筒に前記粉末状原料と同種の有り姿の粉末状原料を導入する第２導入段階と、前記筒に導入した前記粉末状原料を押圧して押し固める第２押圧段階と、を繰り返すことにより、押圧された前記粉末状原料を前記筒へ充填する第２充填工程と、を含む、粉末状原料の充填方法。