JPH0477708B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は単結晶の成長方法に関する。

（従来の技術） 単結晶、例えば、LiTaO₃，LiNbO₃，Li₂B₄O₇
等の圧電単結晶を始め、CdWO₄，Gd₃Ga₅O₁₂，
Y₃Al₅O₁₂等の酸化物単結晶は引き上げ法により
成長させる。

以下、タンタル酸リチウム（LiTaO₃）を例に
とり説明する。第４図は炉の概略を示す。耐火物
１の中にセツトされた円筒状のRt−Rh合金製の
るつぼ２（特公昭57−44202号公報）に原料であ
るタンタル酸リチウムの粉、カレツトを所定量投
入し、るつぼ２の外周に配置された高周波誘導コ
イル３によりるつぼ２を加熱して原料を溶融す
る。原料を溶融した後、原料融液４を所定の温度
に設定し、種結晶５を融液表面に浸す。種結晶を
融液に充分なじませた後に種結晶を徐々に引き上
げて、引き上げ開始する。アフタヒータ６は、主
に、融液面より上の空間を単結晶育成に適した温
度分布にすることと、育成結晶をアニールするた
めに設置してある。

第２−ａ図は、引き上げ開始時の状態を示す。
結晶の肩部７、直胴部８、テール部９を育成した
後に、結晶を融液表面から切離し、引き上げ終了
する。第２−ｂ図は、引き上げ終了時の状態を示
す。

原料融液を含有し、かつヒータでもあるるつぼ
の側壁は、融液に接している部分で、融液内の温
度分布や融液の対流に影響するため結晶育成が進
み、融液面レベルが低下したり、結晶育成を数十
回繰り返しても、熱的、形状的変化が少ないこと
が重要である。

引き上げ終了後、育成した結晶は、室温付近ま
で徐冷し、炉外に取り出される。次に育成した結
晶と同重量の原料をるつぼに補給して、溶融後、
再び引き上げを繰り返す。るつぼは数十回引き上
げを繰り返した後で新しいるつぼに替える。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら従来の方法には、次のような欠点
がある。同じるつぼを用いて単結晶引き上げを繰
り返し行なうとるつぼの変形が起り、るつぼの容
積が変わることから引き上げ開始時の融液レベル
が変化する。その結果、引き上げ開始時の適正な
温度分布、適正な融液温度からはずれてしまう。
また耐火物と、るつぼ側壁の間隔がるつぼ変形の
ため変わるので、結晶育成中の融液内温度分布や
融液対流が影響をうけ、適正な育成条件を保てず
例えば結晶が割れたり、外形が円筒からずれて曲
がつたりして、収率が低下する。そのうえ、るつ
ぼ変形が大きくなると耐火物が割れやすくなり、
最後には、るつぼが耐火物の中に収まらなくなつ
てしまう。耐火物がこわれていると、引き上げ終
了後、結晶を徐冷中、結晶の冷却が均一になら
ず、結晶の割れ発生率も高くなつてしまうという
問題点もある。

そこで本発明の目的は、以上の問題点を解決す
るためになされたもので、同じるつぼを用いて単
結晶引き上げを繰り返し行つてもるつぼの変形が
少なく、結晶育成の条件コントロールが簡単にな
る単結晶の育成方法を提供することにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は径大の円筒部と、この円筒部から延在
し、円筒部から離れるほど直径が細くなる有底の
径小部よりなる貴金属るつぼを使用し、引き上げ
開始時の融液面の位置は円筒部にあり、引き上げ
終了後の融液の固化表面の位置は径小部にあるよ
うに単結晶を成長させることを特徴とする単結晶
の成長方法である。

（作用） 本発明によれば何故るつぼの変形が少なくなる
か説明する。最初に、従来例でのるつぼ変形が起
こる過程を説明する。従来例のるつぼは有底の円
筒状であり、変形は第３図に示したように、るつ
ぼ下部がふくらんだ状態になることが多い。この
ような変形が起こる原因として以下の２つが考え
られる。第１は、貴金属るつぼの熱収縮が原料融
液の固化した固体の熱収縮より大きい場合。第２
は、結晶の融液の比重が固体の比重より小さい場
合である。

第１の熱収縮の相異による場合を説明する。引
き上げ終了後、徐々に冷却していき、融液が固化
する時の温度は、ほぼ結晶の融点に近い。この時
るつぼは室温の時より膨張したおりこの状態で内
の融液が固化している。多くの酸化物結晶は、貴
金属より小さな線膨張率を有することがあり、室
温に冷却しても結晶固体は比較的収縮せずるつぼ
側面は、結晶固体から圧力を受けるため変形す
る。線膨張率が同等であつても、るつぼ内で結晶
固体がない上部るつぼ側面は結晶固体に接してい
る部分より早く冷えやすく収縮が早くなるため変
形してしまう。以上を言いかえると、高温で膨張
したるつぼが、結晶固体にじやまされて室温にな
つても元にもどらなくなつてしまうということで
ある。

次に第２の比重差による場合を説明する。結晶
の融液の比重は固体の比重に比べ、小さいため原
料を融解しはじめると体積が膨張する。この時、
融液の逃げ場がないと圧力が高まり、るつぼ壁に
圧力をおよぼす。例えば融解初期、通常るつぼ側
壁の底部に近いところで温度が上りやすく、原料
が融解するため上部の固体にふたをされた状態に
なり融液の圧力が上昇し、るつぼのその部分がふ
くらんでしまう。

本発明は以上の原因によるつぼへかかる圧力を
極力少なくするように考案されている。第１図に
本発明の実施例を示す。白金−ロジウム合金でな
るるつぼ１６は、径大の円筒部１６−１およびこ
の円筒部１６−１から延在し、円筒部１６−１か
ら離れるほど直径が細くなる有底の径小部１６−
２とを有している。

るつぼ１６は、耐火性バブル１７を介して耐火
物１８の内側に置かれている。引上げ開始時に
は、原料融液１９の融液面１９−１は、るつぼの
径大部１６−１にあり、種結晶１４を融液面１９
−１に接触させ、回転させながら徐々に引上げる
と単結晶１５が成長する。単結晶１５が融液面１
９−１から離れる単結晶引上げ終了時には融液面
１９−１の位置はるつぼの径小部１６−２にあ
る。引き上げ終了時、融液面１９−１の位置が径
小部１６−２にあることにより冷却の際、残留融
液が固化し、熱収縮の差により圧力が発生しても
固化原料とるつぼ径小部１６−２の側壁の間にせ
ん断応力が働き、固化原料が上方に押し上げられ
る。そのため、るつぼ径小部１６−２側壁にかか
る圧力がやわらげられ、るつぼ１６の変形が少な
くなる。また引上げ終了時に融液面１９−１の位
置がるつぼ１６の円筒部１６−１にあつても融液
が固化する際、収縮し、固化表面の位置が径小部
１６−２にあればこの効果は変わらない。また、
るつぼ側壁の厚さがみかけ上、厚くなるので圧力
に対し強くなる利点もある。またるつぼを加熱
し、るつぼが膨張してもるつぼを固定する耐火物
から、るつぼ自身が上方に逃げるため耐火物にも
圧力がかからず割れなどの劣化が少なくなる効果
もある。

固化原料が融解して比重差による圧力が生じて
も融液の蓋となつている固化原料を上方へ押し上
げ、空間を作るので圧力があがらない。また高周
波加熱により原料を融解する時、温度が上がる部
分は、るつぼ径小部と円筒部の接合部付近となる
ためとけた融液の蓋となる部分が薄く、もしくは
ないため一層、比重差による圧力上昇が抑えられ
るためるつぼ変形が起りにくくなる。

以上の実施例において、るつぼ変形に対して、
融液面レベル又は、固化表面レベルが引き上げ終
了時、径小部にあることが重要である。この効果
は固化原料とるつぼ側面の間でせん断応力が働く
ようなるつぼ形状であることが重要で、るつぼ径
小部が円すい台状でなくてもよい。また形状育成
時は、るつぼ側壁と結晶側面の間隔が一定である
ことが好ましく、融液面レベルは円筒部にあるこ
とが重要である。

実施例 １ LiTaO₃を本発明により育成した。るつぼは白
金−ロジウム合金であり、形状は円筒部の直径
180mm、円筒部の高さ70mm、径小部は円すい台状
で高さ70mm、側面は円筒部側面と40゜の角度であ
る。このるつぼを用いて13Kgの原料融液から８Kg
の直径４インチのLiTaO₃を育成した。すなわ
ち、結晶引き上げ開始時の融液面はるつぼ円筒部
にあり、るつぼの縁より約10mm下部の位置であ
る。引き上げ終了時の融液面は径小部にある。同
じるつぼを40回使用しても変形はほとんどなく安
定した条件で結晶育成が続けられた。80回使用
後、るつぼ変形は、引き上げ終了時の融液面に相
当する径小部の部分が少しふくらんだが結晶育成
には影響のない程度であつた。従来例では直径
180mm、高さ140mmのるつぼで、20回使用すると引
き上げ終了時、融液が残つて固化するるつぼ下部
が直径役210mmと広がり、40回以上では変形がひ
どくなり使用不可能となつた。よつて本発明によ
り、るつぼ耐用回数は２倍以上に伸び、また育成
条件のコントロールも安定して行えるようになつ
た。

実施例 ２ LiNbO₃を本発明により育成した。るつぼは白
金で、形状は円筒部の直径120mm、円筒部の高さ
（80mm）、径小部は、円すい台状で高さ（40mm）、
側面は円筒部側面と45゜の角度である。このるつ
ぼを用いて、実施例１と同様に単結晶の育成を行
つた。結晶引き上げ開始時の融液は3.8Kgでるつ
ぼの開口部縁より、約10mm下の位置である。この
状態から直径３インチのLiNbO₃を2.8Kg育成し、
引き上げ終了時の融液面が径小部にあるようにし
た。同じるつぼを30回使用しても変形は、引き上
げ終了時の融液面に相当する径小部の部分が少し
ふくらんだが、結晶育成には支障はなかつた。

（発明の効果） 本発明によると、るつぼ変形が少ないので、結
晶育成の条件が安定し、簡単に結晶育成が行え
る。この結果は、実施例で述べたLiTaO₃，
LiNdO₃を始め、他の酸化物においても有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の単結晶の成長方法を説明する
図、第２図および第４図は従来の単結晶成長方法
を説明する図、第３図は従来の方法に係るるつぼ
の変形状態を示す図である。 １４……種結晶、１５……単結晶、１６……貴
金属るつぼ、１９……原料融液。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 貴金属るつぼ内の融液面に種結晶を接触さ
   せ、この種結晶を徐々に引き上げて単結晶を成長
   させる方法において、 前記貴金属るつぼは、径大の円筒部と、この円
   筒部から延在し円筒部から離れるほど直径が細く
   なる有底の径小部よりなり、 引き上げ開始時の融液面の位置は円筒部にあ
   り、引き上げ終了後の融液の固化表面の位置は径
   小部にあるようにしたことを特徴とする単結晶の
   成長方法。