JPH01208390A - 単結晶の育成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高品質Ｙ　Ａ　Ｇ　（’ｈＡｆｆ　５０１□〉
単結晶あるいはＮｄ　：　ＹＡＧ　（ＹＡＧにＮｄ２Ｏ
，をドープ）単結晶の育成方法に関し、とくに結晶引上
げ開始直後の形状制御方法に関する。

〔従来の技術〕

Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶の形成は、通常引き上げ法（チョク
ラルスキ法）によって行なわれている。

この引きとげ法で単結晶を作成する場合の技術課題は、
第１に目的に合致する良質な結晶を作成すること、第２
に所定の直径を有する長い結晶を作成することである。

第１の課題に関しては、高純度原料の使用、゛育成時の
雰囲気や温度の安定化、圧力制御などがある。第２の課
題に関しては重量法あるいは光学法による自動育成方法
がいくつか提案されている。しかし、Ｎｄ　：　ＹＡＧ
単結晶の自動直径制御の実施例はなくもちろん発表され
た例もない。

これは、Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶が非常に高い温度でしかも
引上げ速度が遅い（０，５〜１　ｍｍ　／　Ｈ）ことや
、結晶の長さ方向に使用するため、長期安定の高信頼性
システムの開発が必要なため自動育成は困難とされてい
るのが実情である。従って、Ｎｄ　：　ＹＡＧ単結晶の
育成は、熟練された経験者によって行なわれている。

〔発明が解決しようとする課題〕

Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶の育成温度が他の酸化物単結晶（例
えばＧＧＧ）と以べ非常に高いため、保温耐火物の材質
や構成の少しの変化でも温度の履歴に関与してくる。こ
のためより安定を保つために耐火物構成がより複雑化す
ると共に、結晶の監視窓は非常に小さくなり育成状聾は
非常に見にくく成っている。しかも熱源が高周波誘導の
ため、直接ルツボ又は溶液の温度を正確に計測する事が
出来ない。

この様な状況下に於いて、結晶育成は作業者が長年の経
験を基にルツボ内溶液あるいは結晶重量変化等を参考に
高周波コイルに加わる高周波電力を変化させ結晶径の制
御が行なわれている。又、種付に最適な高周波電力は育
成毎に異なると共に、引上げ以後の育成条件も当然界る
。更に、引上げ開始初期はある程度結晶を引き上げて結
晶の変化具合を見ないと高周波電力が最適であるがどう
かの判断が出来ない。

この結果、高周波電力設定値が高すぎるとシードが溶液
から切り離されてしまったり、逆にその設定が低すぎる
と結晶は急激に大ってしまい、以後径の制御してもデコ
ボコの激しい結晶が育成され当然品質低下が起きる。こ
の様に引上げ初期の高周波電力の設定は非常に大切であ
る。しがち、熟練者であっても最適条件の設定はむすが
しく育成に失敗したり、又引上げ開始してから長時間監
視する必要があった。当然ながら未経験者ではＮｄ　：
　ＹＡＧ単結晶の育成は困難であった。

本発明の目的は、結晶引上げ開始してからの重量変化か
ら高周波電力の条件設定を最適値にすることが出来、種
付させ出来れば誰でも再現性よく非常に高品質な単結晶
が育成できる単結晶の育成方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の構成は、高周波加熱炉に設けた熱検出手段の出
力が温度設定器の設定値Ｍとなるように、前記高周波加
熱炉に高周波発振電力をアナログコントローラにより制
御して供給してこの加熱炉を加熱し、この加熱炉中で溶
融した原料を、直径Ｄｓの種結晶を引上げて単結晶に形
成する単結晶の育成方法において、前記設定値Ｍの変化
量を所定値Ｖｓに設定して前記単結晶引上げを行い、０
．１〜４時間内の所定時刻経過後この単結晶の直径ＤＩ
が前記種結晶径Ｄｓより小さかった時、前記設定値Ｍを
Ｍ（１−α）（ただしαは０〜０．０１＞に設定し、前
記設定値Ｍの変化量ＶｏをβＭ（ただしβは０〜０．０
１）として単結晶育成を行い、この単結晶径Ｄ１が太く
なる傾向が確認された時萌記変化量Ｖｏを所定値Ｖｓと
して単結晶育成することを特徴とする。

〔実施例〕

次に、本発明を図面により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を説明するフローチャート、
第２図、第３図は本実施例の動作を説明する特性図、第
４図は本実施例に用いられる結晶育成装置の一例のブロ
ック図である。

本実施例において、高周波加熱炉は、高周波コイルに熱
検出手段の真空熱電対を有し、温度設定器の設定値Ｍに
真空熱電対の起電力を近ずけるように高周波発振器の供
給電力をアナログコントローラにより制御する。この単
結晶育成中の結晶径り、は常時検出できるようにして高
周波加熱炉を用いてチョクラルスキー法による単結晶育
成を行う。

この場合、まずステップ１１で設定値Ｍの変化量を所定
値Ｖｓに設定して結晶成長させ、ステップ１２で０．１
〜７１時間内の所定時刻経過後にその単結晶直径り、を
測定する。次に、ステップ１３でこの直径Ｄ１が種結晶
径Ｄｓより小さいか否かを判定し、直径Ｄ１が小さい場
合、ステップ１４で設定値ＭをＭ（１−α）に設定しく
αは０〜０．０１）　、設定値Ｍの変化量ＶｏをβＭに
設定（βは０〜−０．０１）結晶育成し、直径ＤＩがＤ
ｓより小さくなければステップ１１の状態を継続する。

次に、ステップ１５でＤＩが太くなる傾向を判定し、太
くなる修向が確認できれば変化量ＶｏをＶＳに戻して結
晶育成を行う。

本発明者等は結晶引上げ開始直後の高周波電力を最適化
するために今までに育成された単結晶の径の変化と高周
波電力、更に結晶品質の関係について詳細に分析し、か
つ種々の研究を行った。この結果、引上げ開始初期にお
いては、高周波電力が高すぎると育成結晶径Ｄ１は、第
２図に示すように種結晶の直径Ｄｓよりもどんどん細く
なる。

しかし、−旦結晶が太りだすと急速に大きくなることも
わかったため、この様な現象の時には、第３図のように
高周波電力をある範囲で変化させてると、非常にきれい
な、しかも高品質な結晶が育成できることを見い出した
。

結晶引上げ開始直後では、種付の状態を引上げられてい
る時の状態では結晶状態が異るために、引上げによる安
定した重量変化を示すためにはある一定時間必要である
。又、種結晶径が細いために結晶増加量が非常に少く結
晶径を正確に読み収れる迄の時間を考慮する必要が生じ
た。このなめ育成状態を結晶重量から判断する場合、こ
の時間ｔが経過してから結晶径の算出を行うのが最も得
策であることが多くの実験から得られた。

また、結晶引上げを開始してから時間を経過後結晶径Ｄ
Ｉが引上げ開始時の種結晶径Ｄｓに対しＤ１≦Ｄｓのと
き、このまま育成を続けると結晶が融液から切り離され
てしまったり、結晶が太るのに非常に長い時間が必要で
あることも明らかとなった。

そのなめ最も効果的に結晶育成を行うための方法として
高周波電力の変化の方法を検討した。この結果、高周波
電力そのものを減少させるが、又は育成中の電力を少し
ずつ減少（即ち、温度設定器の設定値Ｍに負の変化量Ｖ
ｏとして与える）しながら育成すると良いことが判った
。しかし、この様に高周波電力を減少させた場合、Ｄ、
が太りだす傾向を示すと急激に大きくなった。このため
ＤＩが太りだす傾向が確認された時点で高周波電力の変
化量を元に戻す（即ち正にする）必要があった。

そこでこれらの関係を明確にするため実験結果を詳細に
分析した結果、通常Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶の育成は通常Ｖ
ｏは正で行なわれ、引上げ開始の時もＶｏは設定されて
いる。この初期の設定値■５は長年の経験によって種付
時のＭの値が１０〜３０ｍＶのとき０〜５０μＶ／Ｈが
適当であった。

次に、を経過後のり、≦ＤｓのときのＭの減量は現在の
Ｍの設定値の１％以内が適当であり、又負の変化量は同
様にＭの設定値の１％以内が最も効果的であった。この
量はＤｓとＤｌとの差により決定され、差が大きければ
変化は大きくする必要があった。ただこれ以上変化を大
きくさせると、ある時間経過後に急激にり、が太く成り
、以後の形状制御がしにくいことが明確となった。また
、この操作後Ｄ１が太くなる傾向が確認された時ｔ１に
は、正の変化量を設定するがこれは引上げ開始時に設定
された値、即ちＶｓが最も有効であった。

なお、結晶引上げ開始してから育成状態を検出する迄の
時間ｔは引上げ速度に関係し、速いほど短時間で良く、
引−ヒげ速度が０．５〜５　ｍｍ　／　Ｈの場合、０．
１〜４時間が最適であった。

以上述べた様に、本発明の単結晶の育成方法を用いれば
、引上げ開始以後の結晶径を理想的に制御することがで
き、しかも、良質な結晶育成が可能である。又計算機等
の活用によって無人でも育成が可能であるためその工業
的利用価値は非常に大きい。

第４図は本実施例に用いられる単結晶育成装置のブロッ
ク図である。この単結晶育成装置の８５ΦＸ１００ｈＸ
１．７ｔのＩｒルツボ１にＮｄ：ＹＡＧ単結晶原料（高
純度Ａｅ２０３．Ｙ２Ｏ３に０．８ａ　ｔ　０≦Ｎｄを
ドープしそれぞれ適当量秤量し混合した）を２１００ｇ
加え保温耐火物を設置し、高周波コイル３の中心に設け
た。パーソナルコンピュータ５の指令によって、Ｄ／Ａ
変換回路７を介しアナログコントローラ８、高周波発振
器９によって高周波コイル３に電力が加わりＩｒルツボ
内の原料１を熔解した。次に、ＹＡＧ単結晶（Ｎｄドー
プしていない）を種結晶＜１１１＞とじ、前記溶液に浸
し、最適な温度条件（このときアナログコントローラ８
の設定値は１８．５ｍ　Ｖであった）であることを確認
すると同時にアナログコントローラ８の変化量Ｖｓが２
０μＶ／Ｈに成る様にパーソナルコンピュータらで設定
し引上げを開始した。この時の種結晶の径Ｄｓは６ＩＩ
Ｉｌφであり、引上げ速度は１　ｍｍ　／　Ｈ、回転速
度は２０　ｒｐｍとした。又、引上げを開始してから結
晶状態確認迄の時間ｔを１時間とした。

引上げを開始してから１時間後に結晶径ＤＩは５．８＋
ａａ＋φであった。このためパーソナルコンピュータ５
でアナログコントローラ８の設定値を５０μＶ減少させ
ると共に、以後の設定値Ｖ、が−３５μＶ／Ｈになるよ
うに設定し育成を続行した。１．５時間経過ｆ＆Ｄ＋は
増大傾向を示した。このため■。をＶ。＝Ｖｓとし育成
を続行した。以後ロードセル４、あるいは真空熱電対１
０からの信号を用いパーソナルコンピュータ５で高周波
電力の制御を行った。引上げ開始してから約３３時間後
にＤ’＋が３０φに達したため肩出しを行い、パーソナ
ルコンピュータ５で径の制御を行いながら約１６０時間
後に結晶の切り離しを行い育成を終了した。

育成された結晶は引上げ初期は非常に滑らかであった。

更に結晶から切り出しなロッド（４ΦＸ１０顛）を位相
差により複屈折測定すると、ΔｎにｌＸｌ０−’以下が
得られ、光学歪の非常に少い高品質Ｎｄ　：　ＹＡＧ単
結晶が得られた。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、誰でも引上げ開始
後に単結晶径が穐結晶径より細くなった時の高周波電力
の設定が適格に行うことが出来るので、単結晶の自動育
成に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明するフローチャート、
第２図、第３図は本実施例の結晶引上げ開始以後の高周
波電力の最適化を説明する特性図、第４図は本実施例に
用いる単結晶育成装置の一例を示すブロック図である。 １−・・ｒ　ｒルツボ、２・Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶、３・
・・高周波コイル、４・・・ロードセル、５・・・パー
ソナルコンピュータ、６・・・Ａ／Ｄ変換器、７・・・
Ｄ／Ａ変換器、８・・・アナログコントローラ、９・・
・高周波発振器、１０・・・真空熱電対、１１〜１６・
・・ステップ。 代理人　弁理士　　内　原　　音 第　Ｉ　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高周波加熱炉に設けた熱検出手段の出力が温度設定器の
   設定値Ｍとなるように、前記高周波加熱炉に高周波発振
   電力をアナログコントローラにより制御して供給してこ
   の加熱炉を加熱し、この加熱炉中で溶融した原料を、直
   径Ｄ＿ｓの種結晶を引上げて単結晶に形成する単結晶の
   育成方法において、前記設定値Ｍの変化量を所定値Ｖ＿
   ｓに設定して前記単結晶引上げを行い、０．１〜４時間
   内の所定時刻経過後この単結晶の直径Ｄ＿１が前記種結
   晶径Ｄ＿ｓより小さかった時、前記設定値ＭをＭ（１−
   α）（ただしαは０〜０．０１）に設定し、前記設定値
   Ｍの変化量Ｖ＿ｏをβＭ（ただしβは０〜０．０１）と
   して単結晶育成を行い、この単結晶径Ｄ＿１が太くなる
   傾向が確認された時前記変化量Ｖ＿ｏを所定値Ｖ＿ｓと
   して単結晶育成することを特徴とする単結晶の育成方法
   。