JPH02275794A

JPH02275794A - 単結晶自動育成法

Info

Publication number: JPH02275794A
Application number: JP1223748A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Otani; 茂樹大谷; Takao Tanaka; 高穂田中; Yoshio Ishizawa; 石沢　芳夫
Original assignee: National Institute for Research in Inorganic Material
Current assignee: National Institute for Research in Inorganic Material
Priority date: 1989-01-26
Filing date: 1989-08-30
Publication date: 1990-11-09
Anticipated expiration: 2009-11-30
Also published as: JPH0696478B2; US5690732A

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）本発明は単結晶育成法に係り、より詳しくは、高周波誘
導加熱を利用してフローティング・ゾーン法（以下、ｒ
ＦＺ法」という）によりＪη結晶を自動育成する方法に
関するものである。

（従来の技術）高周波誘導加熱によるＦＺ法は、ルツボを使用せず、試
料自身が発熱体となるため、高融点物質の単結晶育成に
最適な方法である。

現在、熱電子放射材であるＬａＢ、（融点２６００℃）
単結晶がこの方法により育成され、広く実用に供せられ
ている。また、電界電子放射材として注目されているＴ
ｉＣ（融点３１００”Ｃ）単結晶もこの方法により育成
されている。最近では、過酷な使用条件に耐える材料へ
の要求と共に、ますます、高周波加熱ＦＺ法による単結
晶の育成法が重要となってきている。

（発明が解決しようとする課題）ところで、高周波加熱ＦＺ法により単結晶を育成する場
合には、融帯が加熱と共にその形状が変化するため、融
帯形状を制御しなければ、高品質の単結晶を得ることが
困難である。

しかしながら、従来のＦＺ法による単結晶育成法では、
引上法による単結晶育成におけるロードセルのような、
結晶の成長状態をうまく検出できる装置がないため、実
験者が直接口で融帯形状を１１［しながら、加熱電力を
適正値になるように手動で制御し、単結晶を育成せざる
を得ながった。

そのため、手動で温度を制御するのでは緩やかな温度制
御が難しく、単結晶の品質を低下させていた。また、育
成される結晶の品質のバラツキも生じさせていた。

本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、高周波誘導加
熱によるＦＺ法で単結晶を育成するに際し、単結晶をス
ムーズに温度制御しながら自動育成できる方法を提供す
ることを目的とするものである。

（課題を解決するための手段）本発明者らは、前記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた
結果、スフ１−ズな単結晶育成には、融帯の形状を一定
に保つことが重要であり、その融帯形状の変化は、適正
加熱電力からのずれにより生じ、融帯を加熱している高
周波電流とｔＳｉ　電圧の相関により判定できることを
見い出したのである。

その結果、単結晶育成中の高周波電流と陽極電圧を読み
取り、融帯形状をコンピューターで判断し、加熱電力を
制御することにより、単結晶を全く自動的に育成できる
ことが可能となった。

或いはまた、融帯形状の変化は、融帯を加熱している高
周波電流の変化によっても判定でき、したがって、単結
晶育成中の高周波電流の変化から融帯形状の変化をコン
ピューターで判断し、加熱電力を制御することにより、
単結晶を全く自動的に育成できることも可能となった。

以上の知見に基づいて、ＦＺ法による単結晶自動育成法
の発明を完成したものである。

すなわち、本発明に係る単結晶自動育成法は、高周波誘
導加熱を利用してＦＺ法により単結晶を育成する方法に
おいて、高周波発振管の陽極電圧と高周波電流を比較す
ることにより、融帯形状を判断し、判断結果に基づいて
加熱電力を制御すること、或いは育成中の高周波電流の
変化から融；！ＩＦ形状の変化を判断し、判断結果に基
づいて加熱電力を制、御すること、更にはこれらを併用
して加熱電力を制御することを特徴とするものである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

（作用）第１図は本発明法に用いるＦＺ法自１防単結晶作成炉の
一例の概念図である。

図中、１は上軸、１′は下軸、２，２′はホルダー、３
は焼結棒、３′は融帯、４は育成した単結晶、５は高周
波ワークコイル、６．７はそれぞれ陽極電圧と高周波電
流の測定器、８はコンピューター、９は高周波発振機（
発振管）、１０は演算部、１１は制御部を示している。

このような構成において、まず、単結晶育成用の原料焼
結棒３を上軸１にホルダー２を介してセットし、その下
部に初期融帯形成材として単結晶又は焼結棒をホルダー
２′を介して固定支持する。

次いで、数気圧のＡｒ、Ｈｅ等の不活性ガスを育成炉に
充填後、初期融帯形成材の端を高周波コイル５からの誘
導加熱により溶融させ、融帯３′を形成させ、上軸１と
下軸１′を下方にゆっくり移動（０，２〜５ｃｍ／ｈｒ
）を開始し、単結晶を育成し始める。ここまでは、従来
の育成方法と同しである。

融帯移動開始後、５ｍ１Ｉ＋程度移動し、本発明法によ
り単結晶自動育成を行う。但し、育成時の融４ｊ７の形
状は、第１図の３′に示す形が理想的であり。

その形は焼結棒３と育成されている結晶４の移動速度比
に依存する。そのため、５ｍｍ程度融帯移動すれば、定
常的な融帯形となるため、それ以降、本発明法を適用す
る。

予備実験により、予め、被加熱物（融、ｊｉＦ）の形状
が変化しない時の高周波電流と発振管の陽極電圧の関係
を求めた。その結果、両者はほぼ比例関係（Ａ／Ｖ　＝
一定）にあることが判明した。しだがって、単結晶育成
中に両者の比をとり、融帯形状をコンピューターで適正
か否かを判断して、加熱電力を制御すれば、常に適正な
融帯形状を保つことができる。

単結晶育成時に加熱電力が適正値よりも高ければ、融帯
の長さが広くなり、焼結棒３の密度が１００％でないた
め、融４ｆＦ３’が細くなり、ワークコイル５と融帯間
のインピーダンスが小さくなり、高周波電流が多く流れ
出す。一方、逆に、加熱電力が適正値よりも低ければ、
逆の変化が現れる。

したがって、測定器６．７で検出した高周波電流と陽極
電圧を演算部１０にて両者の比を求め、その比から、融
？ｆＦ形状を設定値と比較して適否を判断し、コンピュ
ーター８の制御部１１にて加熱電力を制御するのである
。

以上が本発明による第１の融帯形状制御方式である。

また、単結晶育成時に融帯３′が細くなればコイル５と
融帯間のインピーダンスが小さくなり、高周波電流が多
く流れ出す。一方、逆に融帯３′が太くなれば、高周波
電流が小さくなる。したがって、高周波電流を測定器６
で検出し、その変化から融帯形状の変化を演算部１０に
て判断し、コンピューター８の制御部１１にて加熱電力
を制御してもよい。

実際に単結晶を自動育成する場合、どれだけ高周波電流
が変化すれば、どれだけ加熱電力を制御するのが適切で
あるかは、単結晶の材質に依存しているため、手動状態
での単結晶育成の予備実験の結果に基づき、単結晶の材
質毎に決め、それをプログラムの中に反映させておく。

以上が本発明による第２の融帯形状制御方式である。

更に、これら第１の融帯形状制御方式と第２の融帯形状
制御方式とを併用すれば、より効果的に適正な融帯形状
を保つことができる。

いずれの方式の場合においても、安定して自動育成を行
うには、焼結棒３の融帯３′へのスムーズな溶は込みが
大切であり、これがスムーズでないと、そのために融帯
形状が変化し、高周波電流が変化し、スムーズな加熱電
力制御が不可能となる。したがって、まっすぐで−様な
太さの焼結棒の作成が重要である。

コンピューター８は、上記のように、適正加熱電力への
電力制御能力を有するが、このほかに、設定陽極電圧に
陽極電圧を保持する出力安定化能力を備えている。すな
わち、測定器７にて陽極電圧を°検出して設定値と比較
し、その結果を高周波発振機（発振管）９にフィードバ
ック制御する出力安定化方式に依っている。この場合、
測定器７としてはデジタル式が望ましい。また更には、
高周波発振機（発振管）９のフィラメント電ｇ１２とし
て定電圧電源を用いてフィラメント電圧を一定化すれば
、より効果的である。

本発明法によれば、融帯形状が一定に保たれるため、育
成される結晶の径が一様になる利点もある。

（実施例）次に本発明の一実施例を示す。

左施−例」− 本例はＶ、　Ｃ，単結晶の育成の例である。

Ｖ、Ｃ，単結晶育成には、融帯組成をＣ／Ｖ＝０゜９７
、原料焼結棒の組成をＣ／Ｖ＝　０．８７７　ニ制御す
るのがよいことを予備実験により確かめた。

まず、炭化バナジウム粉末に、結合剤として樟脳を少量
加えて混合した後、冷間型押し゛によってｌＸｌＸ２０
ｃｍ’の角柱を成形した。これを１０００気圧のラバー
プレスした後、円柱形に成形し。

真空中２０００°Ｃで焼結棒を作製した。

次いで、この焼結棒をＦＺ育成炉の上軸にホルダーを介
して固定し、下軸には炭化バナジウム単結晶（１００＞
を固定し、両者間に炭素円盤（約０．０５　ｇ）を挾ん
だ。育成炉に７気圧のＨｅを充填した後、高周波加熱に
より黒鉛円盤周辺を溶かし、初期融帯を形成し、１．ｃ
ｍ／ｈｒで焼結棒を融帯に溶は込ませ、０．７５ｃｍ／
ｈｒで単結晶育成を開始した。

約０．５ｃｆｆＩ融帯を移動した後、本発明法を適用し
、自動育成を行った。育成加熱条件は、陽極電圧５　Ｋ
　ｖ、高周波電流１．９０　Ａとした。加熱電力制御条
件は、高周波電流と陽極電圧の比（Ａ／Ｖ）が０．１％
変化した時、陽極電圧を数ボルト変化させ、単結晶を自
動育成した。

得られた炭化バナジウム単結晶は、−様な直径（０，８
５ｃｍ）で、長さが６．５ｃｍであった。分析の結果、
始端部、中央部、終端部の炭素含有量はそれぞれ１７．
１３ｗｔ％、１７．１２ｗｔ％、１７．０８ｗｔ％であ
り、組成にして、それぞれＣ／Ｖ＝０゜８７７．０．８
７６、Ｑ、８７４であった。炭化バナジウム単結晶はグ
ラツクの生じ易い結晶として知られているが１本発明法
で育成した単結晶は全くクラックがなかった。これは、
本発明により、単結晶が−様な太さで、急激な温度変化
もなく育成されたためと考えられる。

尖１桝又本例はＴ１Ｃｏ、ｓｓ単結晶の育成の例である。

この炭化チタン単結晶育成には、融帯組成をＣ／Ｔｉ＝
１．３、原料焼結棒の組成をＣ／Ｔｉ＝０゜９９に制御
するのがよいことを予備実験により確かめた。

まず、炭化チタン粉末に、結合剤として樟脳を少量加え
て混合した後、冷間型押しによって１×１、　Ｘ　２０
ｃｍ’の角柱を成形した。これを１０００気圧のラバー
プレスした後、円柱形に成形し、真空中２０００　’Ｃ
で焼結棒を作製した。

次いで、この焼結棒をＦＺ育成炉の上軸にホルダーを介
して固定し、下軸には炭化チタン単結晶＜１００＞を固
定し、両者間に炭素円盤（約０．０５ｇ）を挾んだ。育
成炉に７気圧のＩ−Ｉｅを充填した後、高周波加熱によ
り黒鉛円盤周辺を溶かし、初期融帯を形成し、１．２ｃ
ｍ／ｈｒで焼結棒を融１ｖに溶は込ませ、１１．Ｏｃｍ
／ｈｒで単結晶育成を開始した。

約０．５ｃｍ融帯を移動した後、本発明法を適用し、自
動育成を開始した。その時の育成加熱条件は、陽極ｆｆ
ｌ圧６．０６９　ＫＶ、高周波？１１７ｉＥ２１６　。

ＩＡであった。Ｔ　ｉ　Ｃ単結晶育成の場合、加熱電力
が適正値よりも高ければ、融帯の長さが広くなり、焼結
棒の密度が１００％でないため、融帯か細くなり、ワー
クコイルと融帯間のインピーダンスが小さくなり、高周
波電流が多く流れ出す。

方、逆に、加熱電力が適正値よりも低ければ、逆の変化
が現れる。したがって、自動育成中の加熱′６カの制御
条件は、高周波電流が０．２Ａ変化した時、この変化を
打ち消すように陽極電圧を９■変化させた。

また、次の制御を併用した。

すなわち、高周波電流と陽極電圧の比から融帯形状を５
分おきに検出し、その比の値が、自動育成を始めた時の
比の値（＝２１６．１／６．０６９）より０．０２以上
変化した時、陽極電圧を５■変化させた。すなわち、比
の値が０．０２以上大きくなった時（融帯が細くなった
時）、陽極電圧を５Ｖ下げた。また逆の場合には、陽極
電圧を５ｖ上げた。

このような加熱電力制御を行うことにより、５時間３０
分の安定な融帯移動が自動的に行われ、得られたＴ１Ｃ
ｏ、９．ｌ単結晶は、−様な直径（０，９Ｃ■）で、長
さが６ｃｍであった。単結晶の品質は、手動での育成と
比較してバラツキが小さく、良質のものが得られた。こ
れは、本発明により、単結晶が−様な太さで、急激な温
度変化もなく育成されたためと考えられる。

災許且１本例はＬａＢ、単結晶の育成の例である。

ＬａＢＧ粉末を、実施例２の場合と同様にして、焼結し
、直径約１ｃｍ、長さ２０ｃｍの焼結棒を作製した。こ
れをＦＺ育成炉の上軸下軸にＢＮホルダーを介して固定
した。育成炉に８気圧のＨｅを充填した後、高周波加熱
により初期融帯を形成した。

融帯移動は、焼結棒と育成される単結晶を下方に１ｃｍ
／ｈｒの速度で移動することにより行った。

約０．５ｃｍ融帯を移動した後５本発明法を適用して、
自動育成を開始した。その時の育成加熱条件は、陽極電
圧５．６０９　ＫＶ、高周波電流２００．７Ａであった
。

ＬａＢ、単結晶育成の場合、実施例２のＴｉＣの場合に
比較して、融帯が落下し易く、小さな高周波電流の変化
で加熱電力を調整する必要があった。

すなわち、高周波電流が０．１Ａ増加した時、陽接電圧
を４ｖ下げた。また高周波電流が０．１Ａ減少した時（
融帯が太くなった時）、融帯が落下し易いため、同様に
陽極電圧を３６５ｖ下げた。そのため、加熱電力は、融
帯移動に伴い減少した。

これは、蒸発による融帯組成の変化のため、融帯の融点
が融帯移動に伴い低下したためである。５時間の自動育
成終了時の加熱条件は、５．４７４Ｖ、１９５．２Ａで
あった。

このようにして、直径８ｍｍ、長さ５．５ｃｍのＬａＢ
、単結晶が得られた。手動で育成された単結晶では、融
帯が落下し気味で育成されるため、表面はスムーズでな
いが、自動育成された単結晶は、細かい加熱電力制御が
行われるため１表面が非常にスムーズである。品質は、
実施例２のＴｉＣと同様に、バラツキが小さく、良質の
ものであった。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、高周波誘導加熱
によるＦＺ法で単結晶を育成するに際し、高周波発振管
の陽極電圧と高周波電流を比較することにより、融帯形
状を判断し、或いは高周波電流の変化から融帯形状の変
化を判断し、判断結果に基づいて加熱電力を制御するの
で、単結晶をスムーズに温度制御しながら自動育成でき
、高品質の単結晶が安価に得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明法に用いるＦＺ法自動単結晶育成炉の一
例の概念図である。１・・・上軸、１′・・・下軸、２．２′・・・ホルダ
ー３・・・焼結棒、３′・・・融帯、４・・育成した単
結晶、５・・・高周波ワークコイル、６・・・高周波電
流測定器、７・・・陽極電圧測定器、８・・・コンピュ
ーター、９・・・高周波発振機（発振管）、１０・・・
演算部、１１・・・制御部、１２・・・発振管フィラメ
ント電源。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）高周波誘導加熱を利用してフローティング・ゾー
ン法により単結晶を育成する方法において、高周波発振
管の陽極電圧と高周波電流を比較することにより、融帯
形状を判断し、判断結果に基づいて加熱電力を制御する
ことを特徴とする単結晶自動育成法。
（２）高周波発振管の陽極電圧と高周波電流との比較は
、陽極電圧と高周波電流の比により行う請求項１に記載
の方法。
（３）高周波誘導加熱を利用してフローティング・ゾー
ン法により単結晶を育成する方法において、育成中の高
周波電流の変化から融帯形状の変化を判断し、判断結果
に基づいて加熱電力を制御することを特徴とする単結晶
自動育成法。
（４）請求項３に記載の方法において、高周波発振管の
陽極電圧と高周波電流を比較することにより、融帯形状
を判断し、判断結果に基づいて加熱電力を制御する方式
を併用することを特徴とする単結晶自動育成法。