JPH04321585A - 単結晶育成方法 - 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】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は新規な単結晶育成方法、特
にＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の酸化物単結晶を育成
するのに用いられる回転引上げ法による単結晶の育成方
法に関する。

【０００２】

【従来技術と解決しようとする課題】上記の如き酸化物
単結晶を育成するのに用いられる回転引上げ法はまたチ
ョクラルスキー法とも呼ばれ、たとえば高周波加熱炉の
如き加熱装置内に設けられたルツボ内にて結晶原料を融
解せしめてなる融液に種子結晶を浸漬させ、この種子結
晶を引き上げ軸によって回転させながら引き上げ、また
ルツボも同時に回転させて、上記種子結晶の先端に上記
結晶原料を固化させて単結晶を育成させるものである。

【０００３】単結晶をこのような回転引き上げ法によっ
て育成する場合、ルツボ内融液の流れは、育成結晶回転
に基づく流れ（強制対流）と融液内温度差に基づく流れ
（自然対流）の相互のバランスによって決定される。育
成当初、自然対流優勢下で始まる融液の流れは、育成径
の増大、原料融液量の減少に伴い、強制対流優勢へと流
れの反転を起こす。この流れの反転は、単結晶の安定成
長を妨げ、単結晶のねじれ、クラック、結晶径のバラツ
キなどの巨視的欠陥を引き起こし、単結晶製造歩留りを
悪化させていた。

【０００４】上記のような不都合を解決するためには、
育成開始当初優勢である自然対流を、育成終了まで持続
させることが必要となる。従来これに関する技術がいく
つか提案されている。

【０００５】たとえば特開昭６０−１０８３９６号公報
には、融液内に攪拌羽根を入れ、強制的に融液を攪拌す
ることで、結晶成長過程における物質移動、熱移動を一
定にするために融液温度を均一にすることによって、一
定結晶径を得る事の目的の方法が提案されている。確か
にこの方法で融液の温度を一定にすることは可能だが、
自然対流を優勢にするものではない。

【０００６】また、特開昭６１−１０１４８６号公報に
は、■ルツボ下部にルツボ径よりやや大きめの筒状ヒー
ターを置き、ルツボ内壁近傍の融液のみを選択的に加熱
する。■ルツボ内中央部融液のみを選択的に冷却する。 ■ルツボ上部にルツボ径よりやや大きめの筒状のアフタ
ーヒーターを置き、融液表面からの熱輸送を円滑にする
。■育成径が大きくなるにつれ、種結晶回転数を低下さ
せる。などの４項目を適宜組み合わせて、自然対流優勢
下で育成することが提案されている。確かにこの方法で
は、自然対流優勢下単結晶を育成することは可能となる
。しかし、高品質の単結晶育成に適した融液直上の温度
勾配を保持しつつ、前記４項目の単独または組み合わせ
の最適化を行うことは非常に多数の実験、検討が必要で
あり、簡易な方法ではない。

【０００７】たとえば、るつぼ底部の温度変動が大きい
時、すなわち従来ストリエーション（局部的な濃度変動
）の発生を押えて結晶を育成するために温度変動が小さ
い育成条件でないとき、サブグレイン（結晶粒界）が減
少するとされており、温度変動が小さい状態では、サブ
グレインが増えると云われている。すなわち、ストリエ
ーション発生を押える条件と、サブグレイン発生を押え
る条件とは相反する条件となってしまう。かくて本発明
は上記の如き従来技術の問題点を解消し、結晶の巨視的
欠陥による歩留りの低下を防止しうる単結晶の育成方法
を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者の研究、実験に
よれば、ルツボ内に邪魔板を設けて行なうことによって
ルツボ内融液の流れを、種付けから単結晶切り離しまで
、自然対流優勢下におき、上記目的を達成することがで
きることが見出されたのである。

【０００９】よって本発明は加熱装置によって加熱され
るルツボにおいて、融解させた結晶原料からなる融液に
種子結晶を浸し、この種子結晶を引き上げ軸によって回
転させながら引き上げることにより、また同時に、ルツ
ボを回転させることにより、上記種子結晶の先端に上記
結晶原料を固化させて単結晶を育成させる単結晶育成方
法において、ルツボ内に邪魔板を設けて融液からの種子
結晶の回転引上げを行なって、自然対流による原料融液
の流れを強化することを特徴とする単結晶育成方法を提
供するものである。

【００１０】以下本発明を図面を参照しつつ詳細に説明
する。図１は本発明方法を実施するための装置として好
適に用いられる加熱炉の基本的構成を示す図である。１
はセラミック炉材から構成される円筒状の炉容器、２は
加熱源となる高周波加熱コイルを示す。炉１の中央部に
、白金等の耐熱性金属材料から一定容積の円筒形容器の
形につくられた溶融ルツボ３が設けられ、内部に結晶原
料を融解させてなる融液４が満たされている。上記コイ
ル２の中心軸に沿ってルツボ３上方に回転軸５が設けら
れ、その下方先端に種子結晶６が取り付けられている。 この回転軸５は毎分１〜５０回転まで任意に回転数を制
御できるとともに、その先端の種子結晶６を融液４の内
部から回転しながら上方まで引上げられるよう昇降運動
自在になっている。

【００１１】溶融ルツボ３の支持台７の下部に回転軸８
が設けられ、この回転軸８を回転することによって上部
炉容器１とともに溶融ルツボ３を回転することができる
。ルツボの回転方向は種子結晶回転方向の順方向、逆方
向ともに可能で回転数１〜５０回転である。ルツボ回転
方向を一定にして種子結晶の回転を順、逆方向に回転さ
せるようにしてもよい。９はルツボの上方棚部１０に設
けられた円筒状、白金金属製のアフターヒーターである
。

【００１２】本発明方法はこのような装置のルツボ内に
任意個数の邪魔板を設けて行なうのであり、その実施例
を図２〜４に示す。図２の場合ルツボ３の内壁１１の４
ケ所に等間隔に上端から下端まで細長い長方形状の邪魔
板１２が垂直に設けられている。ここには融液４が満た
されておりルツボ３を回転させることによって融液４に
自然対流が誘起、強化される。一方図３の場合、ルツボ
３の底部１３の４ケ所に等間隔に垂直に邪魔板１４が設
けられている。この邪魔板１４は中心から周辺内壁に行
くに従って高く直角三角形状に形成されており、やはり
ルツボを回転することによって融液に自然対流が形成さ
れる。

【００１３】図２，３に示されたルツボの壁面、底面に
設置する邪魔板１２，１４は育成する結晶に接触しない
ような大きさ、即ちなるべく狭い幅、低い高さに形成す
るようにする。その枚数は４枚に限ることなく、設置で
きる限り何枚でもよく、育成する単結晶材料融液の粘度
等の物性により適宜定められる。また設置する角度はル
ツボの底面、壁面に垂直に限定することなくルツボ回転
方向に合わせて角度をつけることも可能である。

【００１４】本発明方法において用いられるルツボ内の
邪魔板は図２，３にみられるようなその壁面や底面に取
着けたものに限らずルツボ内に出し入れ自在に設けられ
る邪魔板も含まれる。その一例を示す図４において１５
は白金等の貴金属でつくられたリングである。その径は
ルツボの径よりも小さく育成結晶の径よりも大きくする
。そのリング１５に等間隔に小さな長方形状の邪魔板１
６をとりつけ、同時にこのリング１５を炉容器１内の上
方棚部１０に先端カギ部１７で引掛けて固定するための
足部１８を４本設ける。その際リング１５はルツボの底
面より少し離れて位置せしめまた８枚の邪魔板１６はル
ツボ３内で融液４中に浸されるように存在させる。この
状態でルツボを回転してもやはり自然対流を誘起、強化
することができる。この固定形邪魔板は育成結晶に接触
しない限り、どのような大きさ形態でもよく、又その個
数も任意であり、リングに対して垂直にとりつけても垂
直でなくてもよい。

【００１５】このような邪魔板をルツボ内に用いて単結
晶を育成させると融液の自然対流が強化されて育成工程
の初めから終りまで自然対流優勢下におくことができ良
好な単結晶を好収率で容易に得ることができる。

【００１６】発明の評価は、ねじれ、クラック、結晶径
のバラツキなどの巨視的欠陥の有無と、自然対流の強さ
を表わす育成結晶底部の形態で判断することができる。

【００１７】

【実施例】以下に本発明の実施例と比較例を示す。本発
明に従って邪魔板をルツボ内で用いて実施するときは良
好な単結晶が容易に得られることが明らかであろう。 ＜実施例１＞外径１３０ｍｍ、内径１２５ｍｍ、高さ１
３０ｍｍのＰｔ製ルツボに、縦１２７．５ｍｍ、横１０
ｍｍ、厚さ１ｍｍのＰｔ製の邪魔板（酸化ジルコニウム
微粉末等を白金内に入れた強化白金製）４枚を図２のよ
うに設置する。このルツボと外径１３０ｍｍ、内径１２
５ｍｍ、高さ１００ｍｍのＰｔ製アフターヒーターを図
１の炉構成に組む。

【００１８】上記ルツボに（Ｌｉ：Ｎｂ）原子比＝（４
８．６：５１．４）等の代表的コングルエント組成のＬ
ｉＮｂＯ３　　５１８０ｇを充填し、高周波加熱コイル
で溶融させる。

【００１９】育成方向はＺ軸方向とし、５ｍｍ×５ｍｍ
×５０ｍｍの種結晶を用いてシーティングを行う。種結
晶引き上げスピード３ｍｍ／ｈ、回転速度３ｒｐｍ　と
し、ルツボ回転は、引き上げ軸の回転方向と逆方向の回
転とし、回転速度は１０ｒｐｍ　とした。

【００２０】約１８００ｇのＬｉＮｂＯ３単結晶を育成
した後、引き上げ軸を１０ｍｍ垂直上方に引き上げ原料
融液から結晶を切り離した後、２０ｈかけて室温まで冷
却した。

【００２１】育成された結晶は、ねじれ、クラック、結
晶径の変動もなく、底部形状は約４ｍｍ下に凸であった
。

【００２２】＜実施例２，３＞ルツボ回転速度を２０ｒ
ｐｍ　（実施例２）、３０ｒｐｍ　（実施例３）とした
以外実施例１と同条件で育成を行った。

【００２３】＜実施例４＞ルツボ回転方向を引き上げ軸
の回転方向と同じ方向とした以外は実施例１と同じ条件
で育成を行った。

【００２４】＜実施例５＞実施例１で使用したＰｔ製ル
ツボに、底辺６２．５ｍｍ×高さ３０ｍｍの直角三角形
形状のＰｔ製邪魔板を図３のように設置した。このルツ
ボ以外は実施例１と全く同じ条件で育成を行った。

【００２５】＜実施例６＞外径１１５ｍｍ、直径２ｍｍ
のＰｔ製リングに、底辺１５ｍｍ×高さ２０ｍｍ×厚さ
１ｍｍの長方形形状のＰｔ製邪魔板を図４のように設置
した。足場の高さは　　　　ｍｍであった。この固定形
邪魔板を、邪魔板最下部がルツボ底面より５５ｍｍ上方
になるように、中心部が上から見て一致するように設置
する。この固定形邪魔板以外は実施例１と全く同じ条件
で育成を行った。

【００２６】＜比較例１＞ルツボにいっさいの邪魔板を
付けず、またルツボを回転させず、実施例１と同じ条件
で育成を行った。

【００２７】＜比較例２，３＞ルツボにいっさいの邪魔
板を付けず、ルツボを引き上げ軸と逆方向に１０ｒｐｍ
で（比較例２）、同じ方向に１０ｒｐｍ　で（比較例３
）育成を行った。

【００２８】上記各例による結果をまとめて表１に示す
。

【００２９】

【表１】 比較例１に示したとおり、ルツボ形状に何も手を加えず
、ルツボ回転も、行わなければ、自然対流に較べ強制対
流が強くなり、育成底部結晶が下に凹となる。このため
、ねじれ、クラック、径変動などの巨視的欠陥が発生し
た。また、比較例２，３に示したとおり、通常形状のル
ツボを回転させると強制対流の強さが多少弱まり、育成
底部形状が下に凹からフラットの傾向となるが、この程
度では、ねじれ、径変動などの巨視的欠陥をなくすこと
はできない。

【００３０】しかし、実施例１〜７に示したとおり、図
２〜４のようなルツボ形状、固定形邪魔板の存在下、ル
ツボ回転を行うと、自然対流が強まり、育成結晶底部形
状は下に凸となり、ねじれ、クラック、径変動などの巨
視的欠陥はなくなり、結晶製造歩留りが向上した。なお
、実施例１，４を比較するとわかるように、引き上げ軸
方向に対して、ルツボ回転方向の順、逆方向による違い
は、あまり見られなかった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するための装置として用いら
れる加熱炉の基本的構成を示す概略断面図。

【図２】本発明方法を実施するのに好適に用いられる邪
魔板の一つの実施例を示す斜視図。

【図３】本発明方法を実施するのに好適に用いられる邪
魔板の他の実施例を示す斜視図。

【図４】本発明方法を実施するのに好適に用いられる邪
魔板のもう一つ他の実施例を示す斜視図。

【符号の説明】

１　　炉 ２　　高周波加熱コイル ３　　溶融ルツボ ４　　融液 ５　　回転軸 ６　　種子結晶 ７　　ルツボ支持台 ８　　回転軸 ９　　アフターヒーター １０　　炉内棚部 １１　　ルツボ内壁 １２，１４，１６　　邪魔板 １３　　ルツボ底面 １５　　リング １７　　カギ部 １８　　足部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加熱装置によって加熱されるルツボにおい
   て、融解させた結晶原料からなる融液に種子結晶を浸し
   、この種子結晶を引き上げ軸によって回転させながら引
   き上げることにより、また同時に、ルツボを回転させる
   ことにより、上記種子結晶の先端に上記結晶原料を固化
   させて単結晶を育成させる単結晶育成方法において、ル
   ツボ内に邪魔板を設けて融液内からの種子結晶の回転引
   上げを行なって、自然対流による原料融液の流れを強化
   することを特徴とする単結晶育成方法。