JPH10338594A - 引き上げ法による単結晶育成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ルツボ材やアフターヒータ材に金属イリジウ
ムを使用し、酸素が存在する雰囲気下で単結晶育成を行
う場合でも、結晶欠陥が発生し難く、高品位の単結晶を
安定的に育成できるようにする。 【解決手段】 有底円筒状の貴金属製のルツボ１４の外
側を、断熱充填材１８を介して耐火物ルツボ１６で取り
囲み、貴金属製のルツボの上部にほぼ円筒状の貴金属製
のアフターヒータ４０を設置し、該アフターヒータの外
側を間隔をおいて保温耐火物３８で覆い、耐火物ルツボ
及び保温耐火物の外側に加熱用の高周波コイル１２を設
置した引き上げ法による単結晶育成装置である。貴金属
製のルツボ及びアフターヒータの少なくとも一方がイリ
ジウムからなり、アフターヒータの最小内径をルツボ内
径よりも２０％以上大きする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、貴金属製のルツボ
の上部にアフターヒータを設置した引き上げ法による単
結晶育成装置に関し、更に詳しく述べると、貴金属製の
ルツボとアフターヒータの少なくとも一方がイリジウム
からなる場合に、アフターヒータの最小内径をルツボ内
径よりも大きくすることによって、育成する単結晶に各
種の結晶欠陥が生じるのを防止できるようにした引き上
げ法による単結晶育成装置に関するものである。この技
術は、特にガドリニウム・ガリウム・ガーネット単結晶
のような高融点の単結晶を酸素含有雰囲気で育成する場
合に有効である。

【０００２】

【従来の技術】単結晶の育成方法は様々であるが、その
一つに引き上げ法がある。これは、ルツボ中の原料融液
に種結晶を接触させ、結晶又はルツボあるいはその双方
を回転させながら前記種結晶を徐々に引き上げることに
よって単結晶を育成する方法である。

【０００３】引き上げ法で用いられる従来の単結晶育成
装置の一例を図３に示す。竪型の炉体１０は、外周部に
加熱用の高周波コイル１２を有し、内部に貴金属（本明
細書において「貴金属」とは白金族の金属あるいはその
合金のような耐熱性に富む高融点金属材料をいう）製の
ルツボ１４が収容される。貴金属製のルツボ１４は、そ
の外側が間隔をおいて耐火物ルツボ１６で取り囲まれた
状態であり、両者の間にバブルアルミナなどの断熱充填
材１８を充填することで保持される。なお耐火物ルツボ
１６は、下端部でルツボ保持軸２０によって回転自在に
支えられ、該ルツボ保持軸２０は回転駆動機構（図示せ
ず）によって一定速度で回転できるように構成されてい
る。種結晶３０は、引き上げ軸２２の下端にチャック２
４によって吊り下げた種結晶ホルダ２６に取り付けられ
る。なお引き上げ軸２２は、回転昇降駆動機構（図示せ
ず）によって回転自在で且つ昇降自在であり、所定の速
度で回転し昇降できるように構成されている。

【０００４】炉体１０の内部の貴金属製のルツボ１４の
上部には、アフターヒータ３６を設置する。また耐火物
ルツボ１６の上部には、前記アフターヒータ３６を取り
囲むように保温耐火物３８を設ける。アフターヒータ３
６は、ほぼ円筒状の貴金属体であって、高周波コイル１
２によって発熱し、引き上げられる育成単結晶３４に適
度の温度勾配を付与するものであって、それによって結
晶のクラック防止等を図る。従来用いられていたアフタ
ーヒータ３６は、貴金属製のルツボ１４の上端から連続
し（アフターヒータ３６の下端の内径が貴金属製のルツ
ボ１４の内径に等しい）、上端の内径が貴金属製のルツ
ボ１４の内径よりも小さい円錐台状である。

【０００５】貴金属製のルツボ１４中の融液３２に種結
晶３０を接触させ、引き上げ軸２２とルツボ保持軸２０
の双方を互いに逆方向に回転させながら種結晶３０を引
き上げることで育成単結晶３４が引き上げられる。

【０００６】貴金属製のルツボの材料としては、一般に
は白金が用いられるが、白金製のルツボは機械的な強度
や熱的安定などの関係から１５００℃程度以下の融点の
単結晶の育成にしか適用できない。しかし、ガドリニウ
ム・ガリウム・ガーネット単結晶は、融点が１７００〜
１８００℃であり、そのように融点が１５００℃を超え
る単結晶の育成には、ルツボあるいはアフターヒータの
材料として融点の高い金属イリジウムが用いられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ルツボ材や
アフターヒータ材として金属イリジウムを使用し、酸素
が存在する雰囲気下で単結晶育成を行うと、製造時間や
温度にもよるが、特に結晶育成時間が長い場合に、育成
した単結晶中に種々の結晶欠陥が発生し、結晶品位が低
下したり、結晶品位がばらつく等の問題が生じている。

【０００８】本発明の目的は、ルツボ材やアフターヒー
タ材に金属イリジウムを使用し、酸素が存在する雰囲気
下で単結晶育成を行う場合でも、結晶欠陥が発生し難
く、高品位の単結晶を安定的に育成できるような引き上
げ法による単結晶育成装置を提供することである。また
本発明の他の目的は、高品位のガーネット単結晶を育成
できる方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、有底円筒状の
貴金属（白金族の金属またはその合金）製のルツボの外
側を、断熱充填材を介して耐火物ルツボで取り囲み、前
記貴金属製のルツボの上部にほぼ円筒状の貴金属製のア
フターヒータを設置し、該アフターヒータの外側を間隔
をおいて保温耐火物で覆い、前記耐火物ルツボ及び保温
耐火物の外側に加熱用の高周波コイルを設置した引き上
げ法による単結晶育成装置である。ここで本発明の特徴
は、前記貴金属製のルツボ及びアフターヒータの少なく
とも一方がイリジウムからなる場合に、アフターヒータ
の最小内径をルツボ内径よりも２０％以上大きくした点
にある。

【００１０】前記のように１５００℃以上の高融点の単
結晶育成には、ルツボ材あるいはアフターヒータ材とし
て金属イリジウムが用いられている。その理由は、金属
イリジウムの融点が高く、高温での機械的強度が高いこ
とによる。（因に、白金製のルツボは１５００℃以上で
は軟化するために使用できない。）ところがイリジウム
は、酸素存在の雰囲気下では約８００℃で酸化が始まっ
て酸化イリジウムが生じ、１０００℃では酸化イリジウ
ムとして揮発する性質がある。そのため、イリジウムを
ルツボやアフターヒータの素材として使用し、結晶を酸
素存在雰囲気下で製造すると、酸化イリジウムとして揮
発して、相対的に環境温度の低いアフターヒータの上端
部や保温耐火物の内面に析出する現象が見られる。

【００１１】従来装置を用いて単結晶を育成した場合、
結晶欠陥が多く生じる理由は、単結晶育成時間が長くな
ってアフターヒータ上端部に析出した酸化イリジウムが
ある程度の大きさになると、その酸化イリジウム（イリ
ジウムスラグと呼ばれる）が炉体内の雰囲気ガスの対流
などの影響を受けて剥がれ落ち、その一部がルツボ内に
落下することがあり、それが融液界面上を漂い、場合に
よって育成中の単結晶に取り込まれるためであることが
判明した。酸化イリジウムの蒸散を抑えれば、このよう
な問題は解決できるが、単結晶の育成条件などの制約か
ら、蒸散自体を抑えることは困難である。そこで本発明
では、結晶欠陥を引き起こす原因となるイリジウムスラ
グがルツボ内へ落下するのを防ぐため、アフターヒータ
の最小内径を貴金属製のルツボ内径よりも２０％以上大
きく設定する。実際に、このようなアフターヒータを使
用すると、アフターヒータ上端部への酸化イリジウムの
析出量が減少し、万一落下しても融液内への混入を防止
でき、高品位の単結晶を育成できることが確認された。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に係る単結晶育成装置の例
を図１及び図２に示す。基本的にはアフターヒータの形
状を除けば図３に示した従来技術と同様であってよいの
で、説明を簡略化するために、対応する部材には同一符
号を付す。

【００１３】図１に示す例は、円錐台状のアフターヒー
タ４０を使用する例である。竪型の炉体１０は、外周部
に加熱用の高周波コイル１２を有し、内部にイリジウム
製のルツボ１４が収容される。そのルツボ１４は、その
外側が間隔をおいて耐火物ルツボ１６で取り囲まれた状
態であり、両者の間にバブルアルミナ（アルミナの粉
末）などの断熱充填材１８を充填することで保持され
る。なお耐火物ルツボ１６は、下端部でルツボ保持軸２
０によって回転自在に支えられ、該ルツボ保持軸２０は
回転駆動機構（図示せず）によって一定速度で回転でき
るように構成されている。種結晶３０は、引き上げ軸２
２の下端にチャック２４によって吊り下げた種結晶ホル
ダ２６に取り付けられる。なお引き上げ軸２２は、回転
昇降駆動機構（図示せず）によって回転自在で且つ昇降
自在であり、所定の速度で回転し昇降できるように構成
されている。

【００１４】炉体１０の内部のイリジウム製のルツボ１
４の上部には、アフターヒータ４０を設置する。また耐
火物ルツボ１６の上部には、前記アフターヒータ４０を
取り囲むように保温耐火物３８を設ける。アフターヒー
タ４０は、金属イリジウム製であり、ほぼ円筒状である
が、外観は上端の内径が下端の内径よりも小さい円錐台
状である。本発明ではアフターヒータ４０の最小内径
（上端での内径）Ｄ₂ がイリジウム製のルツボ１４の内
径Ｄ₁ よりも２０％以上大きくしてある。そのため、ア
フターヒータ４０はバブルアルミナ等からなる断熱充填
材１８の上に設置している。

【００１５】図２に示す例は、直円筒状のアフターヒー
タ４２を使用する例である。基本的な構造は、前記図１
に示すものと同様である。アフターヒータ４２は、イリ
ジウム製である。本発明ではアフターヒータ４２の最小
内径（直円筒状であるから全て同じ内径をもつ）Ｄ₃ が
イリジウム製のルツボ１４の内径Ｄ₁ よりも２０％以上
大きくしてある。そのため、アフターヒータ４２はバブ
ルアルミナ等からなる断熱充填材１８の上に設置してい
る。

【００１６】また本発明は、上記のような単結晶育成装
置を使用し、酸素存在の雰囲気中でガーネット単結晶を
育成する引き上げ法による単結晶育成方法である。ガー
ネット単結晶は、ＬＰＥ法による磁性ガーネット単結晶
膜を製造する際の基板として有用な材料である。その融
点は１７００〜１８００℃であり、数％以下の酸素雰囲
気で育成する。そのため本発明は特に有効である。

【００１７】

【実施例】外径１００mm、高さ１００mmのイリジウム製
のルツボ内に、育成する単結晶の原料であるＧｄ₂ Ｏ₃
及びＧａ₂ Ｏ₃ の所定量を入れ、高周波コイルに通電す
ることによって原料を１７００℃以上に加熱し、融液を
得た。通常の方法に従い、種結晶を接触させ、ゆっくり
と回転させながら３mm／時の一定速度で引き上げ、直径
５０mmφ、長さ１００mmのガドリニウム・ガリウム・ガ
ーネット（ＧＧＧ）単結晶を育成した。その際の炉体内
部は、酸素含有窒素雰囲気（Ｎ₂ ＋２vol ％Ｏ₂ ）であ
る。

【００１８】アフターヒータの形状と寸法を種々変えて
ＧＧＧ単結晶を育成した結果を表１に示す。９種の実験
例のうち、実験例１は従来技術に相当するものであり、
＊印を付した実験例５〜９は本発明の例である。表１に
おいて、アフターヒータはＡＨと略記している。なお各
実験例で使用したアフターヒータも、ルツボと同様、イ
リジウム製である。

【００１９】実験例１及び実験例３では、単結晶育成
後、アフターヒータ上端部に多量のイリジウム蒸散物が
付着しており、育成した単結晶にはイリジウム混入に起
因すると思われる結晶転位が多く発生していて、結晶と
しては低品位なものであった。実験例２及び４では、ア
フターヒータ上端部へのイリジウム蒸散物の付着量はそ
れほど多くはなかったが、育成した単結晶にはイリジウ
ム混入に起因すると思われる結晶転位が多く発生してい
て、結晶としては低品位なものであった。それに対して
実験例５〜９では、アフターヒータ上端部にはイリジウ
ム蒸散物は殆ど付着しておらず、育成した単結晶には結
晶転位が極めて少なく、高品位の単結晶が得られた。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【発明の効果】本発明は上記のように、アフターヒータ
の最小内径をルツボ内径よりも２０％以上大きくしたこ
とにより、アフターヒータ上端部にイリジウム蒸散物が
付着し難くなり、長時間にわたる単結晶育成工程で、万
一付着したイリジウムスラグが落下しても、ルツボ内に
は入り込まないため、育成した単結晶の品位を高く維持
でき、歩留りが向上する効果が得られる。また本発明に
よって、高品位のガーネット単結晶を安定的に歩留りよ
く製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単結晶育成装置の一実施例を示す
説明図。

【図２】本発明に係る単結晶育成装置の他の実施例を示
す説明図。

【図３】従来技術の一例を示す説明図。

【符号の説明】

１０ 炉体 １２ 高周波コイル １４ 貴金属製のルツボ １６ 耐火物ルツボ １８ 断熱充填材 ３０ 種結晶 ３４ 育成単結晶 ３８ 保温耐火物 ４０，４２ アフターヒータ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有底円筒状の貴金属製のルツボの外側
   を、断熱充填材を介して耐火物ルツボで取り囲み、前記
   貴金属製のルツボの上部にほぼ円筒状の貴金属製のアフ
   ターヒータを設置し、該アフターヒータの外側を間隔を
   おいて保温耐火物で覆い、前記耐火物ルツボ及び保温耐
   火物の外側に加熱用の高周波コイルを設置した単結晶育
   成装置において、 貴金属製のルツボ及びアフターヒータは、その少なくと
   も一方がイリジウムからなり、アフターヒータの最小内
   径が貴金属製のルツボ内径よりも２０％以上大きいこと
   を特徴とする引き上げ法による単結晶育成装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の単結晶育成装置を使用
   し、酸素存在の雰囲気中でガーネット単結晶を育成する
   引き上げ法による単結晶育成方法。