JPH06199597A - 酸化アルミニウム単結晶の製造方法 - Google Patents

酸化アルミニウム単結晶の製造方法

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JPH06199597A
JPH06199597A JP30310392A JP30310392A JPH06199597A JP H06199597 A JPH06199597 A JP H06199597A JP 30310392 A JP30310392 A JP 30310392A JP 30310392 A JP30310392 A JP 30310392A JP H06199597 A JPH06199597 A JP H06199597A
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single crystal
aluminum oxide
oxide single
gas
crystal
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JP30310392A
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English (en)
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Yasuto Miyazawa
靖人 宮沢
Shoji Morita
章二 森田
Hideyuki Sekiwa
秀幸 関和
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National Institute for Research in Inorganic Material
Original Assignee
National Institute for Research in Inorganic Material
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 組成的過冷却を抑制し、気泡や析出物などの
欠陥がない結晶性良好の酸化アルミニウム単結晶を製造
する。 【構成】 少なくとも、アルミニウム及び酸素の2元素
を含む酸化アルミニウム単結晶を溶融固化法により製造
するに際して、中性又は不活性ガスに0.01〜100
体積%の水素又は一酸化炭素を混入したガスを雰囲気ガ
スとして用いることを特徴としている。特に、アルミニ
ウム格子点の一部をチタン或いはクロムなどの遷移金属
元素で置換した酸化アルミニウム単結晶を育成する場合
に有効である。溶融固化法のうち、特にチョクラルスキ
ー法を適用することにより、高品質で大口径の結晶を安
定して供給することが可能である。この単結晶は固体レ
ーザの発振素子や光学結晶として用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体レーザの発振素子
や光学結晶として用いられる酸化アルミニウム単結晶の
製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】固体レ
ーザは、小型で丈夫であると共にメンテナンスが殆ど必
要ないことから、加工、計測、通信及び光化学など、様
々な産業分野で利用されており、その重要性は今後、更
に大きくなると予想される。
【0003】酸化アルミニウム単結晶は、熱的安定性、
光学的特性及び機械的特性に優れているため、従来か
ら、光学用窓材料やジュエルベアリング材料として用い
られてきた。1960年に、クロムを添加した酸化アル
ミニウム単結晶(ルビー)がレーザ発振に成功して以来、
遷移金属元素を添加した酸化アルミニウム単結晶は、固
体レーザ材料としての利用も検討されている。特に、チ
タンを添加した酸化アルミニウム単結晶は、発振波長域
の広い波長可変固体レーザとして、近年、大きな注目を
集めている。
【0004】酸化アルミニウム単結晶を含め、光学用途
に用いられる酸化物単結晶は、その結晶性や大口径化の
観点から、溶融固化法によって育成されることが多い。
しかし、溶融固化法によって異種元素を添加した酸化物
単結晶を育成する場合、異種元素の添加量や育成速度に
よっては、組成的過冷却現象が生ずる。特に、チタンや
クロムのように、偏析係数の小さい元素を添加した場
合、組成的過冷却が起こり易い。組成的過冷却が生ずる
と、結晶内に気泡や析出物などの欠陥が発生し、結晶の
光学的特性が極端に低下するという問題点がある。気泡
や析出物などの欠陥は、結晶育成後のいかなる処理によ
っても除去することができないため、結晶育成の段階で
このような欠陥の発生を抑制しておく必要がある。
【0005】組成的過冷却現象を抑制する手段として
は、融液内の温度勾配を大きくすることが有効ではある
が、融液内の温度勾配を大きくしすぎると、育成した結
晶に歪みが生じ、割れが発生し易くなる。
【0006】本発明は、上記従来技術による酸化アルミ
ニウム単結晶の製造方法の問題点に鑑みてなされたもの
であって、組成的過冷却を抑制し、気泡や析出物などの
欠陥がない結晶性良好の酸化アルミニウム単結晶を製造
し得る方法を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、前述した
目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、溶融固化法に
よる結晶育成において、育成雰囲気によって融液の対流
を制御できること、更に、制御された融液対流は、添加
元素を加えた酸化アルミニウム単結晶の育成において
も、組成的過冷却の抑制に有効であることを見い出し、
ここに本発明をなしたものである。
【0008】すなわち、本発明は、少なくとも、アルミ
ニウム及び酸素の2元素を含む酸化アルミニウム単結晶
を溶融固化法により製造するに際して、中性又は不活性
ガスに0.01〜100体積%の水素又は一酸化炭素を
混入したガスを雰囲気ガスとして用いることを特徴とす
る酸化アルミニウム単結晶の製造方法を要旨としてい
る。
【0009】以下に、本発明を更に詳細に説明する。
【0010】
【作用】
【0011】前述した通り、溶融固化法による酸化アル
ミニウム単結晶の育成において、中性又は不活性ガス雰
囲気に0.01〜100体積%の水素或いは一酸化炭素
を混入し、酸素分圧を低下させることにより、融液対流
が著しく促進される。融液対流の促進には、酸素分圧の
低下に伴う表面張力或いは粘性係数などの融液物性の変
化が関与していると考えられる。融液対流が促進される
と、その撹拌効果によって成長界面近傍の添加元素の分
布が均一化され、組成的過冷却が抑制される。
【0012】この方法によれば、従来の雰囲気では、組
成的過冷却のために、気泡や析出物などの欠陥が発生す
る融液組成或いは育成速度においても、良好な特性を有
する結晶を得ることが可能である。特に、アルミニウム
格子点の一部をチタン或いはクロムなどの遷移金属元素
で置換した酸化アルミニウム単結晶を育成する場合に有
効である。
【0013】中性又は不活性ガスとしては、例えば、窒
素、ヘリウム、アルゴンなどのガスを使用できる。
【0014】この中性又は不活性ガスに混合する水素又
は一酸化炭素ガス量が0.01体積%未満では、上述の
ような効果が期待でない。したがって、混合割合は0.
01〜100体積%とする。好ましい範囲は1〜20体
積%である。
【0015】本発明における溶融固化法としては、チョ
クラルスキー法の他、FZ法或いはEFG法等にも適用
できる。このうち、結晶の品質の管理及び大口径化の観
点から、チョクラルスキー法が優れている。
【0016】なお、溶融固化法における他の条件、例え
ば、原料の混合割合或いは遷移金属添加量や、単結晶育
成条件などは特に制限されないことは云うまでもない。
【0017】次に本発明の代表的な実施例を示す。
【0018】
【実施例1】
【0019】結晶育成は、高周波誘導加熱法によるチョ
クラルスキー法により行った。原料として、酸化アルミ
ニウム(純度99.999%)に1.0重量%の酸化チタン
(純度99.99%)を加えた粉末を乾式で十分混合した
ものをCIP成型(圧力4ton/cm2)した後、大気中、1
500℃で15時間焼結し、イリジウムるつぼ(50φ
×50h×1.5mmt)に充填した。イリジウムるつぼの周
囲は、酸化ジルコニウムのバブル及び耐火るつぼによっ
て、断熱・保温した。
【0020】結晶育成条件は、育成方位c軸、結晶回転
数20rpm、引上げ速度2.0mm/hrとした。また、育成
雰囲気として、窒素に10体積%の水素を混合したガス
を2000ml/minの流速で流した。直胴部の直径は、
ロードセルを用いた自動直径制御機構により制御した。
るつぼに充填した原料の約50%を引上げて、育成を終
了した。得られた結晶は、直径22mm、直胴部の長さ約
60mmであった。結晶は透明のピンク色を呈しており、
気泡、析出物及びクラックなどの欠陥は存在しなかっ
た。また、育成方向に垂直にウエハを切出し、チタンの
分布を調べた結果、チタンの面内分布は、ほぼ均一であ
ることが分かった。
【0021】一方、比較のため、同一組成の原料を用
い、同一の結晶育成条件において、育成雰囲気のみを窒
素に1.5体積%の酸素を混合したガスに変えて育成し
たところ、組成的過冷却によると考えられる気泡及び析
出物が無数に発生し、結晶は全く不透明であった。
【0022】
【実施例2】
【0023】結晶育成は、高周波誘導加熱法によるチョ
クラルスキー法により行った。原料として、酸化アルミ
ニウム(純度99.999%)に3.0重量%の酸化クロム
(純度99.99%)を加えた粉末を乾式で十分混合した
ものをCIP成型(圧力4ton/cm2)した後、大気中、1
500℃で15時間焼結し、イリジウムるつぼ(50φ
×50h×1.5mmt)に充填した。イリジウムるつぼの周
囲は、酸化ジルコニウムのバブル及び耐火るつぼによっ
て、断熱・保温した。
【0024】雰囲気として、アルゴンに5体積%の水素
を混合したガスを2000ml/minの流速で流した。種
結晶を融液に浸す前に、CCDカメラで融液表面の対流
状況を観察したところ、るつぼの壁側からるつぼ中心に
向かう比較的速い対流パターンが明瞭に認められた。
【0025】結晶育成条件は、育成方位c軸、結晶回転
数20rpm、引上げ速度1.0mm/hrとした。直胴部の直
径は、ロードセルを用いた自動直径制御機構により制御
した。るつぼに充填した原料の約40%を引上げて、育
成を終了した。得られた結晶は、直径20mm、直胴部の
長さ約50mmであった。結晶は透明でピンク色を呈して
おり、気泡、析出物及びクラックなどの光散乱源は存在
しなかった。
【0026】一方、同一組成の原料を用い、同一の結晶
育成条件において、育成雰囲気のみをアルゴンに1.5
体積%の酸素を混合したガスに変えて育成したところ、
組成的過冷却によると考えられる気泡及び析出物が無数
に発生し、結晶は全く不透明であった。
【0027】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
酸化アルミニウム単結晶を溶融固化法により製造するに
際して、育成雰囲気中に水素又は一酸化炭素を所定割合
で添加することにより、融液の対流を制御し、組成的過
冷却を制御した良好な特性を有する酸化アルミニウム単
結晶を製造できる。特に、アルミニウム格子点の一部を
チタン或いはクロムなどの遷移金属元素で置換した酸化
アルミニウム単結晶を育成する場合に有効である。溶融
固化法のうち、特にチョクラルスキー法を適用すること
により、高品質で大口径の結晶を安定して供給すること
が可能である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも、アルミニウム及び酸素の2
    元素を含む酸化アルミニウム単結晶を溶融固化法により
    製造するに際して、中性又は不活性ガスに0.01〜1
    00体積%の水素又は一酸化炭素を混入したガスを雰囲
    気ガスとして用いることを特徴とする酸化アルミニウム
    単結晶の製造方法。
  2. 【請求項2】 アルミニウム格子点の一部を遷移金属元
    素で置換する請求項1に記載の方法。
JP30310392A 1992-10-15 1992-10-15 酸化アルミニウム単結晶の製造方法 Pending JPH06199597A (ja)

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