JPH04202082A - ブリッジマン結晶成長方法 - 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〕 この発明はブリッジマン結晶成長方法に関し、微少重力
下などの自由液面で液体の温度差により生ずる表面張力
で引き起こされるマランゴニ対流（Ｍａｒａｎｇｏｎ　
Ｉ対流）を、融液に発生させる遠心力で相殺して抑制し
、微少重力下なとにおけるブリッジマン結晶成長の際の
結晶欠陥や偏析などを防止できるようにしたものである
。

〔従来の技術〕

宇宙の微少重力環境を利用して地上では得られない高純
度の金属材料や高品質の半導体材料などの製造を目的と
する研究が種々行われており、その１つにブリッジマン
結晶成長法を用いた材料の製造がある。

このブリッジマン結晶成長法では、第３図に示すように
、結晶成長用にカーボン、石英、ボロンナイトライドな
どを用いて略長円筒形のアンプル１を作り、このアンプ
ル１内に均一な結晶組織などを得ようとする材料を固体
化した状態で封入する。

この後、宇宙空間などの微少重力環境下で、温度勾配を
与えることができる加熱炉で、まず全体を加熱してアン
プル１内の材料を融解させ、次いで、加熱炉によって融
解した融液２に温度勾配を与えるべくアンプル１の長さ
方向の一端部から徐々に冷却を行って凝固させて結晶３
を成長させるようにしている。

ところが、このようなブリッジマン結晶成長用のアンプ
ル１を用いて結晶３を成長させようとする場合、第４図
に第３図中の■部分を拡大して示すように、凝固時の体
積収縮によって融液２とアンプル１の側面との間に空隙
Ｓが生じ、このため融液２に自由液面Ｆが形成され、こ
の自由液面Ｆに発生ずる表面張力でマランゴニ対流Ｍが
生じてしまう。

すなわち、アンプル］内の材料を融解させた後、一端部
から冷却して凝固させる場合、表面張力は温度の高い融
液２側の液表面で小さく、低温の結晶３側の液表面で大
きくなるので、液分子は低温側に引っ張られて動き、表
面の分子が動くと内部の分子も徐々に引きずられて動き
たし、全体に流れが生じて対流現象となり、いわゆるマ
ランゴニ対流Ｍになってしまう。

このようなマランゴニ対流Ｍが生じると、凝固面に温度
のムラが生じ、結晶３の結晶界面Ｐが曲面状になって、
成分の分布が場所によって異なったり、結晶３に方向性
かでるなと結晶組織の不均一が生じてしまう。

また、こうして得られたアンプル１内の結晶３は、中心
部か比較的均一になるに過ぎず、利用しようとしても中
心部分だけでは、非常に歩留まりが悪い。

そこで、このようなマランゴニ対流を抑えるため種々の
提案がなされており、例えばアンプル１の端部にピスト
ンなどを設置し、ピストンを押すことによって結晶３の
凝固に伴って形成される空隙Ｓに融液２を満たすように
したり、アンプル１内に微粉末などを封入しておき、こ
の微粉末で空隙Ｓに生じる自由液面Ｆを覆うようにする
ものなどがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような提案によれば、マランゴニ対流を抑制できる
ものの、結晶成長の過程でアンプル内の材料とピストン
や微粉末が直接接触するため、得られる結晶等の品質に
悪い影響を与える恐れがあるという問題がある。

この発明はかかる従来技術の問題点に鑑みてなされたも
ので、微少重力下における発生が問題となり、結晶の成
長に悪影響を及ぼすマランゴニ対流を融液に直接接触す
ることなく抑制することができるブリッジマン結晶成長
方法を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題点を解決するためこの発明のブリッジマン結晶
成長方法は、ブリッジマン結晶成長用のアンプルをその
中心軸回りに回転して融液に遠心力を発生させてマラン
ゴニ対流を抑制するようにしたことを特徴とするもので
ある。

〔作　用〕

このブリッジマン結晶成長方法によれば、ブリッジマン
結晶成長用のアンプルをその中心軸回りに回転してアン
プルの外部から融液に遠心力を発生させ、この遠心力と
自由液面に生じる表面張力とを相殺するようにしており
、アンプル内の材料と直接接触すること無くマランゴニ
対流を抑制して結晶成長を図り、品質の良い高純度の結
晶などを得ることができるようにしている。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図面を参照しながら詳細に
説明する。

第１図及び第２図はこの発明のブリッジマン結晶成長方
法の一実施例にかかる概略断面図及び第１図中の■部分
の拡大断面図であり、第３図及び第４図と同一部分には
、同一符号を記しである。

このブリッジマン結晶成長方法では、略長円筒形のブリ
ッジマン結晶成長用のアンプル１内に均一な結晶組織な
どを得ようとする材料が固体化した状態で封入されてお
り、アンプル１の両端部が回転駆動装置４のチャック５
に取（＝Ｊけられてその中心軸りの回りに回転できるよ
うにしである。

このような回転駆動装置４に取トＩけられた結晶成長用
のアンプル１は温度勾配を与えることができる加熱炉で
、まず全体が加熱されてアンプル１内の材料が融解され
る。

次いて、回転駆動装置４によってアンプル１をその中心
軸り回りに回転しながら、加熱炉によって融解した融液
２に温度勾配を与えるべくアンプル１の長さ方向の一端
部、例えば右端部から徐々に冷却して凝固させ、結晶３
を成長させる。

この結晶成長材料の凝固の始まる極初期の段階において
、凝固にともなう体積収縮で結晶３とアンプル１との間
に空隙Ｓが生じ、このため融液２に自由表面Ｆが形成さ
れ、この自由液面Ｆに温度差に基づく表面張力による流
れＡが発生してマランゴニ対流Ｍが生じようとする。

一方、アンプル１は回転駆動装置４によってその中心軸
り回りに回転されているので、アンプル１内の融液２に
回転にともなう遠心力が生じ、結晶界面Ｐに沿って遠心
力による流れＢが発生する。

この結果、融液２の自由液面Ｆに沿って結晶界面Ｐに向
かう方向の表面張力による流れＡがアンプル］の放射方
向外側に向かう方向の遠心力による流れＢによって打ち
消されるようになり、結晶界面Ｐの近傍の融液２の自由
な移動が出来ず、マランゴニ対流Ｍが抑制される。

そして、結晶成長材料の凝固にともなって結晶３が成長
すると、結晶界面Ｐが軸方向左側に移動するが、これに
ともなって空隙Ｓも移動するが、融液２に常に遠心力が
生じ、遠心力による流れＢが発生するので、結晶界面Ｐ
の近傍のマランゴニ対流Ｍが抑制される。

このように結晶界面Ｐの近傍のマランゴニ対流Ｍが抑制
されると、結晶界面Ｐが平面状となることから、回転駆
動装置４によって発生させる遠心力の大きさは、結晶界
面Ｐが曲面状にならず、平面状になるように制御すれば
良く、予め計３９でマランゴニ対流Ｍの大きさから回転
駆動装置４によって発生させる遠心力の大きさを求め、
この結果によって制御するようにすることもできる。

こうして結晶界面Ｐの近傍のマランゴニ対流Ｍが抑制さ
れると、結晶界面Ｐが平面状となり、成分の分布が均一
化し、結晶組織も均一化されることなる。

したがって、ブリッジマン結晶成長方法で得られた結晶
３は中心部分だけでなく、広く全体を利用することがで
き、歩留まりが向上する。

また、ブリッジマン結晶成長用のアンプル１内の材料と
直接接触するピストンや微粉末などを使用しないので、
得られる結晶３の品質を悪化させる恐れが全く無く、高
純度の結晶３を得ることができるとともに、アンプル１
を回転駆動するので、アンプル１の加熱や冷却を均一に
行なうこともできる。

なお、この発明は、上記実施例に限定するものでなく、
この発明の要旨を変更しない範囲で各構成要素に変更を
加えるようにしても良い。

〔発明の効果〕

以上、一実施例とともに具体的に説明したようにこの発
明のブリッジマン結晶成長方法によれば、ブリッジマン
結晶成長用のアンプルをその中心軸回りに回転してアン
プルの外部から融液に遠心力を発生させるようにしたの
で、この遠心力と自由液面に生じる表面張力とを相殺す
ることができ、アンプル内の材料と直接接触すること無
くマランゴニ対流を抑制することができる。

したがって、結晶組織が均一で歩留まりの良いブリッジ
マン結晶を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はこの発明のブリッジマン結晶成長方
法の一実施例にかかる概略断面図及び第１図中の■部分
の拡大断面図である。 第３図及び第４図は従来のブリッジマン結晶成長法及び
マランゴニ対流の説明図である。 １・・・ブリッジマン結晶成長用のアンプル、２・・・
融液、３・・・結晶、４・・・回転駆動装置、５・・・
チャック、Ｆ・・・自由表面、Ｌ・・・中心軸、Ｍ・・
・マランゴニ対流、Ｐ・・・結晶界面、Ｓ・・・空隙。 出願人　　石川島播磨重工業株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ブリッジマン結晶成長用のアンプルをその中心軸回りに
   回転して融液に遠心力を発生させてマランゴニ対流を抑
   制するようにしたことを特徴とするブリッジマン結晶成
   長方法。