JPH11343194A

JPH11343194A - 単結晶の製造装置および単結晶の製造方法

Info

Publication number: JPH11343194A
Application number: JP7026999A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Ouchi; 龍一大内; Minoru Imaeda; 美能留今枝
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 1999-12-14
Anticipated expiration: 2019-03-16
Also published as: US6368407B2; JP3513046B2; EP0947610A3; US20010020441A1; EP0947610A2; US6241820B1

Abstract

(57)【要約】【課題】単結晶の原料が充填されている容器を熱処理し
て、単結晶を生成させる製造装置において、単結晶にお
ける組成偏析や異種結晶の生成、結晶方位のずれなどを
防止し、同時に単結晶の量産を可能とする。【解決手段】本装置は、原料が充填されている複数の容
器７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ、７Ｆに対してそれぞ
れ対応する各加熱処理装置５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５
Ｅ、５Ｆ、昇降駆動装置４、および複数の容器と複数の
加熱処理装置との少なくとも一方に対して昇降駆動装置
４を機械的に結合するための結合部材３を備える。昇降
駆動装置４を駆動することによって、各容器を各加熱処
理装置に対して上下方向に相対的に移動させ、加熱処理
装置によって生成する加熱処理領域６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、
６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ内に各容器を通過させて容器中の原料
に連続的に融帯を生成させ、融帯を固化させて単結晶を
連続的に生成させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｈｇ−Ｃｄ−Ｍｎ
−Ｔｅ系の単結晶等の単結晶を製造する装置および方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、エルビウム添加光ファイバー増幅
器が注目を集めている。エルビウムの励起波長として
は、特に０．９８μｍが有望視されている。０．９８μ
ｍ帯光アイソレーター用材料としては、バルクのＨｇ−
Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ系の単結晶が最も有望である。光アイ
ソレーターとして有望な組成の範囲は、例えば特開平７
−２３３０００号公報に開示されている。

【０００３】しかし、バルクのＨｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ
系の単結晶の育成は非常に困難であった。なぜなら、蒸
気圧が高い成分である水銀が含有されていることから、
通常のブリッジマン法で単結晶を育成した場合にはルツ
ボの内圧が極めて高くなり、ルツボが破裂するという問
題があったからである。

【０００４】高圧ブリッジマン炉を使用してＨｇ−Ｃｄ
−Ｍｎ−Ｔｅ系の単結晶を製造する装置は、例えば特開
平７−２０６５９８号公報に開示されている。これは、
高圧ブリッジマン炉の上方で、ルツボ内で蒸気圧の高い
水銀が析出するのを防止するために、ヒーターをルツボ
の上に設けている。また、特開平８−４０８００号公報
においては、ＴＨＭ法（トラベリング・ヒーター法）に
おいて、双晶の発生を防止し、得られる単結晶体の直径
を大きくするために、単結晶の材料の容器中へのセット
方法を検討している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の単結晶育成方法
においては、特に双晶の発生を防止しつつ、同時に単結
晶体の直径を大きくして単結晶の量産を図っているが、
依然として困難な問題が未解決のままに残されている。
即ち、ある程度の低コストで単結晶体を量産するために
は、単結晶体の直径を大きくする必要があるが、単結晶
体の直径が大きくなると、水銀等の蒸気圧が幾何級数的
に増大するため、例えば高圧ブリッジマン炉を使用し、
３０ｋｇ／ｃｍ² 程度の圧力を容器に加える必要があ
る。

【０００６】しかし、現実には、単結晶体の外周部分と
中央部分とでは融帯の状態などが異なっているため、単
結晶体を径方向に見たときに組成偏析が認められ、また
異種結晶の生成も多い。このため、光アイソレーターと
しての特性が大幅に変動するし、光アイソレーターとし
ての特性を満足するような単結晶を得ることも難しい。
また、結晶方位のズレによって光アイソレーターの損失
特性も変動している。

【０００７】本発明の課題は、Ｈｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ
系単結晶の場合のように、単結晶の原料が充填されてい
る容器を熱処理することによって容器中に単結晶を生成
させるための製造装置において、単結晶における組成偏
析や異種結晶の生成、結晶方位のずれなどを防止して、
単結晶の特性を向上、安定させるのと同時に、単結晶の
量産を可能とすることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、単結晶の原料
が充填されている複数の容器を熱処理することによっ
て、各容器中に単結晶を生成させるための製造装置であ
って、各容器に対してそれぞれ対応する各加熱処理装
置、各容器を各加熱処理装置に対して上下方向に相対的
に移動させるための昇降駆動装置、および複数の容器と
複数の加熱処理装置との少なくとも一方に対して昇降駆
動装置を機械的に結合するための結合部材を備えてお
り、昇降駆動装置を駆動することによって各容器を各加
熱処理装置に対して上下方向に相対的に移動させ、加熱
処理装置によって生成する加熱処理領域内に容器を通過
させて容器中の原料に連続的に融帯を生成させ、この融
帯を固化させることによって容器中に単結晶を連続的に
生成させることを特徴とする。

【０００９】また、本発明は、単結晶の原料が充填され
ている複数の容器を熱処理することによって各容器中に
前記単結晶を生成させるのに際して、各容器に対してそ
れぞれ対応する各加熱処理装置、各容器を各加熱処理装
置に対して上下方向に相対的に移動させるための昇降駆
動装置、および複数の容器と複数の加熱処理装置との少
なくとも一方に対して昇降駆動装置を機械的に結合する
ための結合部材を設け、昇降駆動装置を駆動することに
よって各容器を各加熱処理装置に対して上下方向に相対
的に移動させ、加熱処理装置によって生成する加熱処理
領域内に容器を通過させて容器中の原料に連続的に融帯
を生成させ、この融帯を固化させることによって容器中
に単結晶を連続的に生成させることを特徴とする。

【００１０】本発明者は、例えばＨｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔ
ｅ系の単結晶において、単結晶体および容器の直径を増
大させると、組成偏析、異種結晶の発生や、結晶方位の
ずれが発生し易く、これらの微視的なコントロールが極
めて困難であることを発見した。この発見に基づき、更
に検討を進めた結果、単結晶体およびその原料を収容す
る容器の直径を小さくする一方、熱処理する容器の数を
増大させることによって、単結晶の量産を試みた。

【００１１】しかし、１台のＴＨＭ炉に数本の密封部材
を束ねてセットし、現実に実験研究を行って見ると、実
験前の想像とはまったく異なり、多数の容器内の単結晶
体の物性を制御することは著しく困難であり、前記の問
題点はまったく解決できないことを発見した。即ち、各
容器ごとに、その内部に生成する単結晶体の状態は異な
っていた。例えば、ある容器中で光アイソレーターとし
て使用可能な良質の単結晶が生成していた場合にも、他
の多くの容器内の単結晶体には組成偏析や異種結晶の発
生が見られることがあり、また結晶方位がずれている場
合があった。これは、Ｈｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ系単結晶
などの場合には、直径の小さい多数の容器を処理した場
合も、各容器ごとに融帯の微妙な制御を実現すること
は、単結晶体の直径が大きい場合と同様に極めて困難で
あることを意味している。更に、密封部材を束ねるとし
ても、せいぜい３−４本であり、５本以上の同時育成は
不可能であった。

【００１２】本発明者は、こうした量産上の観点から致
命的に重要な問題を解決するべく研究を重ねていたが、
この過程で、各容器に対してそれぞれ対応する各加熱処
理装置を設け、各加熱処理装置を昇降駆動装置に対して
機械的に結合し、昇降駆動装置を駆動することによって
各加熱処理装置を各容器に対して上下方向に移動させ、
加熱処理装置によって生成する各加熱処理領域内に容器
を通過させて原料に連続的に融帯を生成させ、この融帯
を固化させることによって単結晶を連続的に生成させる
ことを想到した。

【００１３】これによって、各容器中において、単結晶
の組成偏析や異種結晶の発生が顕著に抑制され、かつ単
結晶の結晶方位のバラツキが見られなくなることを見い
だした。これによって、例えばＨｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ
系単結晶のように、融帯の制御が困難な単結晶体におい
ても、組成偏析、異種結晶の発生や結晶方位のずれを生
じさせることなく、一定水準の単結晶を量産すること
が、本発明によって初めて可能になった。

【００１４】また、本発明者は、前記単結晶の量産を可
能とする装置の開発に際して、更に直接単結晶を育成し
ている容器の内径に着目し、その内径を７ｍｍ以下とす
ることによって、原料の重量に対して、特定範囲の目的
とする組成を有する単結晶体を多量に生産できることを
見いだした。これが８ｍｍを超えると、特に単結晶の外
側周縁と中心部分との組成の差が大きくなるために、外
側周縁から切り出された単結晶の組成が、中心部分の単
結晶の組成に対して大きく変動するため、単結晶の育成
工程における歩留りが低い。しかし、容器のうち単結晶
を育成している領域の内径を７ｍｍ以下とすることによ
って、この歩留りが著しく向上する。

【００１５】この理由は、加熱処理装置からの熱伝導が
向上し、多結晶原料内に順次に生成してくる融帯の状態
が安定し、異種結晶や組成偏析が抑制されるためであろ
う。

【００１６】容器の内径は、５ｍｍ以下とすることが更
に好ましく、３ｍｍ以下とすることが一層好ましい。ま
た、容器の内径には特に下限はないが、製造しようとす
る製品の寸法以上である必要がある。

【００１７】

【発明の実施形態】以下、更に具体的な実施形態につい
て述べる。容器内に充填、収容する原料としては、多結
晶体からなる原料が好ましいが、多結晶を生成する前の
金属粉末の混合物からなる原料も使用できる。

【００１８】本発明の好適な態様においては、各加熱処
理装置がそれぞれ筒状をなしており、各加熱処理装置の
内側に、対応する各容器が収容されている。これによっ
て、各加熱処理装置の内側に生成する加熱処理領域が、
容器の径方向に見たときにほぼ均一な温度分布となるの
で、単結晶の径方向の特性のばらつきが生じにくくな
る。この際、「各加熱処理装置が筒状をなしている」と
は、抵抗発熱線が筒状をなすように成形されている場合
を含んでおり、また平板状の発熱体が筒状に成形されて
いる場合を含んでいる。

【００１９】他の好適な態様においては、加熱処理装置
が、融帯を生成させるための融帯生成部と、融帯生成部
の上側に設けられている予熱部と、融帯の下側に設けら
れているアニール部とを備えている。これによって、単
結晶の原料の予熱、融帯生成、及び溶融物の固化による
単結晶の生成、単結晶のアニールという一連のプロセス
を、各容器ごとに同様の条件下で同時に実施することが
できる。従って、各容器ごとに、得られた単結晶の結晶
性のばらつきが一層抑制される。

【００２０】他の好適な態様においては、容器が、原料
が充填されているルツボと、このルツボを収容し、密封
している密封部材とを備えている。この場合には、ルツ
ボが、上下方向に延びる単結晶育成部分と、この単結晶
育成部分の上側に設けられている拡張部分とを備えてい
ることが特に好ましい。

【００２１】以下、図面を参照しつつ、更に具体的な実
施例について述べる。

【００２２】図１は、本発明の一実施形態に係る装置を
示す模式的平面図であり、図２は、図１の装置の模式的
正面図である。図３（ａ）は、容器３０のルツボ１６中
に種結晶および原料を収容した状態を概略的に示す断面
図であり、図３（ｂ）は、ルツボ中の原料に融帯を生成
させている状態を概略的に示す断面図であり、図４
（ａ）は、ルツボ中に単結晶を生成させた後の状態を概
略的に示す断面図である。

【００２３】耐火物１の内側空間２内に、本発明の製造
装置が収容されている。各容器７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７
Ｄ、７Ｅ、７Ｆ内には、それぞれ単結晶の原料が充填さ
れている。各容器に対して、それぞれ対応する各加熱処
理装置５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆが設けられ
ている。本実施形態では、各加熱処理装置を２×３列に
縦横に整列させたが、これらの個数や配置形状は変更で
きる。

【００２４】昇降駆動装置４は、各加熱処理装置を、各
容器に対して上下方向に相対的に移動させるためのもの
である。本例では、昇降駆動装置４は、軸１０に対して
取り付けられており、図示しない駆動機構によって軸１
０を上下方向に移動可能になっている。

【００２５】昇降駆動装置４には、結合部材３が取り付
けられている。この結合部材３は、昇降駆動装置４への
取り付け部３ｇを備えている。結合部材３は、各加熱処
理装置５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆに対してそ
れぞれ取りつけられている取り付け部３ａ、３ｂ、３
ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを備えている。これらの各取り付
け部は、保持部３ｈを介して取り付け部３ｇに結合され
ている。各容器は、それぞれ固定軸８、９によって所定
箇所に固定されている。昇降駆動装置４を駆動すること
によって、各加熱処理装置を上下方向に移動させること
ができる。

【００２６】各加熱処理装置内には、それそれ加熱処理
領域６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆが生成してい
る。各加熱処理領域内に各容器を通過させ、各容器中の
原料に連続的に融帯を生成させ、この融帯を固化させる
ことによって容器中に単結晶を連続的に生成させる。

【００２７】各加熱処理装置は、例えば図２に示すよう
に、予熱部１２、融帯生成部１３、アニール部１４を備
えている。そして、各加熱処理装置が上方へと移動する
のにつれて、各容器内の原料に融帯が連続的に生成す
る。

【００２８】各容器は、例えば図３（ａ）に示す容器３
０のように、原料１７が充填されているルツボ１６と、
ルツボ１６を収容し、密封している密封部材１５とを備
えていることが好ましい。本例では、ルツボ１６は、筒
状部分１６ｂ、拡張部分１６ａおよびこれらの連結部分
１６ｃを備えている。密封部材１５も、筒状部分１５
ｂ、拡張部分１５ａおよびこれらの連結部分１５ｃを備
えている。１６ｄは、ルツボ１６の開口である。

【００２９】ルツボの材質としては、ボロンナイトライ
ドやカーボン、その非晶質であるグラッシーカーボンが
良好に用いられる。また、これらの材質のＣＶＤ成膜品
であるパイロリティックカーボン（ｐ−Ｃ）やパイロリ
ティックボロンナイトライド（ｐ−ＢＮ）等、ルツボも
しくはカーボンへのｐ−Ｃ成膜品の複合品は、より反応
性が小さく、好適に用いられる。

【００３０】ここで、金属粉末の混合物からなる原料１
７をルツボの筒状部分１６ｂおよび拡張部分１６ａに充
填し、単結晶を少なくとも筒状部分１６ｂ中に生成させ
ることが好ましい。なぜなら、実際に単結晶を育成する
べきルツボにおいては、できる限りその直径を小さくす
ることによって、単結晶の融帯が安定して生成し、単結
晶の品質が、より一層安定する。ただし、ルツボの直径
を小さくするのにつれて、ルツボの中に単結晶の原料を
収容することが困難になる。この際、原料を拡張部分１
６ａから筒状部分１６ｂへと向かって収容すると、ルツ
ボ中への原料の充填は容易になる。

【００３１】この後は、通常は、密封部材内を真空排気
し、真空封切りしてルツボを密封する。そして、粉末原
料１７をいったん溶融させ、クエンチして多結晶を作製
する。次いで、各加熱処理装置を上方へと移動させる
と、筒状部分１６ｂ内の多結晶原料２０が下から順に加
熱され、図３（ｂ）に示すように融帯２１が生成する。
この融帯２１は、徐々に上方へと向かって移動する。

【００３２】最終的に単結晶が生成した後には、図４
（ａ）に示すように、ルツボ１６の筒状部分１６ｂ内に
は単結晶２３が生成する。ここで、２つの破線Ｂで挟ま
れた領域内で、目的とする組成の単結晶が生成する。た
だし、種結晶に近い部分は、材料の相図に従った組成の
変化領域となり、その上部が、目的とする組成の均一な
領域となる。下側の破線Ｂの下には種結晶１８がある。
上側の破線Ｂの上には、溶融体と同様の組成を有する単
結晶４０が生成する。また、ルツボの連結部分１６ｃお
よび拡張部分１６ａ内には、通常は多結晶２２が生成す
る。通常は、粉末原料１７の表面Ａに比べて、多結晶２
２の表面の位置は下がる。

【００３３】こうしたルツボを使用すると、溶湯を補給
したときに単結晶２３内に気孔が発生しにくく、溶湯の
対流が盛んになり、組成偏析が一層抑制される。

【００３４】この後、筒状部分１６ｂ内の単結晶２３の
組成の均一な領域のみを利用することが特に好ましい。
なぜなら、単結晶２３の生成の過程において、粉末原料
１７ないし多結晶２０内に含有されていた過剰な金属成
分は、ルツボ１６内で上方へと、即ち拡張部分１６ａ内
へと向かって移動する傾向があり、図４（ａ）において
多結晶４０内に偏在する傾向がある。従って、拡張部分
１６ａ内に生成した多結晶を捨て、筒状部分１６ｂ内に
生成した単結晶２３を利用することによって、単結晶の
特性、特に光学的特性が、より一層安定する。

【００３５】また、ルツボ１６の最下部内に単結晶の種
結晶１８を収容し、次いで種結晶１８の上に粉末原料１
７を充填することが好ましい。これによって、各容器３
０内に生成する各単結晶２３の結晶方位が、一層均一化
する。

【００３６】また、ルツボ１６の筒状部分１６ｂの少な
くとも一部を、ルツボ１６から切り出すことができる。
例えば、図４（ａ）に破線Ｂで示すように、筒状部分１
６ｂおよび単結晶２３を切断する。これによって、例え
ば図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すように、筒状被覆部分
２６と単結晶２３とからなる柱状体２４を得、柱状体２
４を光学材料として使用できる。この場合には、単結晶
２３の一対の端面２５の間に光を通すことができる。

【００３７】本発明では、このように単結晶生成領域に
おける容器の直径を小さくできることから、各容器３０
の内側に充填する粉末原料１７の重量は比較的に少な
い。従って、容器３０の加熱処理を非加圧条件下で実施
できる。

【００３８】各加熱処理装置の融帯生成部１３とアニー
ル部１４との境界領域においては、温度勾配が生じてい
る。この温度勾配は、５０℃／ｃｍ以上とすることが好
ましく、これによって結晶化の速度が速くなり、異種結
晶が残留しにくくなる。また、この温度勾配は１００℃
／ｃｍ以下とすることが好ましく、これによって結晶化
速度が速くなり、気孔の発生も抑制される。

【００３９】融帯生成部の上下方向の長さは、５ｍｍ以
上とすることが好ましく、これによって融帯が安定して
生成し、再現性も高くなる。また、融帯生成部の長さ
は、３０ｍｍ以下とすることが好ましい。この理由とし
ては、ゾーンが長過ぎると、析出する組成の変化が緩慢
となるため、目的とする組成が得られる領域が少なくな
ることが挙げられる。

【００４０】予熱部およびアニール部の上下方向の各長
さは、３０ｍｍ以上とすることが好ましく、これによっ
て気孔の発生が抑制され、結晶化速度が一層速くなる。
予熱部およびアニール部の上下方向の各長さは、１００
ｍｍ以下とすることが好ましい。

【００４１】本発明の製造方法および装置は、各種の組
成系の単結晶に対して適用可能であり、例えばＨｇ−Ｍ
ｎ−Ｔｅ，Ｈｇ−Ｃｄ−Ｔｅ，Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ，Ｈｇ
−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｚｎ−Ｔｅ，Ｈｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ−
Ｓｅ、Ｚｎ−Ｂｅ−Ｍｇ−Ｓｅ−Ｔｅ等の２−６族化合
物や、Ｇａ−Ａｌ−Ａｓ−Ｐ，Ｉｎ−Ａｌ−Ａｓ−Ｐ等
の３−５族化合物系の単結晶に対して適用可能である。

【００４２】特に、単結晶がＨｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ系
の組成を有する単結晶である場合には、粉末原料として
水銀−テルル合金およびカドミウム−テルル合金を使用
することが好ましい。これによって、反応付近の発熱を
防止でき、この発熱による密封部材の破損を防止でき
る。

【００４３】単結晶がＨｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ系の組成
を有する単結晶である場合には、単結晶を育成する融帯
生成部の温度を７００℃以上、１０５０℃以下とするこ
とが好ましい。また、この場合には、予熱部の温度を、
融帯生成部の温度より５０℃以上、３００℃以下の範囲
で低く設定することが好ましく、これによって多結晶体
の粒成長が抑制され、かつ組成偏析の原因となる水銀や
カドミウムの多結晶体からの離脱も防止できる。また、
アニール部の温度も４００℃以上、１０００℃以下とす
ることが好ましい。

【００４４】また、Ｈｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ系の組成を
有する単結晶においては、更に、単結晶の組成が、（Ｈ
ｇ0.5 Ｃｄ0.0 Ｍｎ0.5 ）Ｔｅ、（Ｈｇ0.08Ｃｄ0.8 Ｍ
ｎ0.12）Ｔｅ、（Ｈｇ0.05Ｃｄ0.5 Ｍｎ0.45）Ｔｅ、
（Ｈｇ0.5 Ｃｄ0.5Ｍｎ0.0 ）Ｔｅの各組成を結んだ範
囲内にあることが好ましい。

【００４５】各容器ないし密封部材は、いずれも互いに
平行に延びるように固定されていることが好ましく、か
つ各容器の上側端部と下側端部との双方が固定されてい
ることが好ましい。これによって、融帯の揺らぎがなく
なり、異種結晶の発生も抑制される。このためには、例
えば図２に示す各固定軸８、９と各容器との結合点１１
において、ボールポイントネジによって３点または４点
で固定して、水平あるいは真円度を維持することが好ま
しい。

【００４６】以下、更に具体的な実験結果について述べ
る。（実施例Ａ）図１〜図４を参照しつつ説明した前記方法
に従って、Ｈｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ系の組成を有する単
結晶からなる光学材料を育成した。具体的には、粉末原
料１７として、Ｃｄ、Ｍｎ、Ｈｇ−Ｔｅ合金およびＣｄ
−Ｔｅ合金を使用した。種結晶として、ＣｄＴｅの（１
１１）方位の結晶（直径３ｍｍ、長さ３０ｍｍ）を使用
した。原料３００ｇを、調合後の組成が（Ｈｇ0.16Ｃｄ
0.68Ｍｎ0.16）Ｔｅとなるように調合した。密封部材１
５の材質を石英ガラスとし、厚さを２ｍｍとした。ルツ
ボ１６の筒状部分１６ｂの内径を３ｍｍとし、長さを３
００ｍｍとした。ルツボ１６の拡張部分１６ａの内径を
５ｍｍとし、長さを５０ｍｍとした。ルツボ１６の材質
を厚さ１ｍｍのｐ−ＢＮとした。種結晶を容器中に投入
した後、１５ｇの粉末原料をルツボ１６内に投入し、石
英製の密封部材の中にルツボを入れ、密封部材を密封し
た。

【００４７】２０本の密封部材を使用して各容器３０を
製造し、各容器３０を常圧電気炉内に収容し、５０℃／
時間で１１００℃まで温度を上昇させ、原料１７を溶解
させた。このとき、種結晶１８は、図に示さない冷却機
構により冷却して、溶解を防ぐ構造とした。また、昇温
により、内部に投入した粉末は溶融体となり、ちょうど
ルツボのテーパー部１６Ｃの部分まで溶融体が形成され
る。次いで容器を急速に冷却し、多結晶原料２０を得
た。次いで、各容器３０を取り出し、図１、図２に示す
製造装置にセットした。

【００４８】ここで、各加熱処理装置の融帯生成部の内
径は１５ｍｍであり、長さは１０ｍｍであり、予熱部お
よびアニール部の長さは５０ｍｍである。加熱処理装置
は、円筒形状に成形された金属、合金またはセラミック
ス製の発熱体からなる。各容器３０の両端部を固定軸に
よって固定した。

【００４９】このようにして、２０本の各容器３０を所
定箇所に固定し、次いで常圧で加熱処理装置を５０℃／
時間で温度を上昇させた。融帯生成部の位置を種結晶１
８の上端に合わせてセットし、１０５０℃に保持した。
また、予熱部およびアニール部の温度を８００℃に保持
した。この時の予熱部と融帯生成部およびアニール部と
融帯生成部の温度勾配は、それぞれ７５℃／ｃｍであっ
た。この状態で各加熱処理装置を同時に３０ｍｍ／日で
移動しつつ、同時に９５０℃まで融帯生成部の温度を１
００℃／日で降下した。２４時間後に９５０℃となった
時点でそのまま温度をキープし、９日間各加熱処理装置
の移動を継続した。育成終了後の降温は５０℃／時間で
行い、２０本の密封部材を取り出した。

【００５０】取り出した密封部材からルツボを取り出
し、種結晶部分１８の上から３．５ｍｍの厚さで育成結
晶を切り出し、７０個のサンプルを得た。全部で２０本
のルツボから合計で１４００個のサンプルを育成し、そ
の組成とファラデー回転角および光吸収のカットオフ波
長の光学特性を検討した。この結果を、表１、表２にま
とめる。

【００５１】

【表１】

【００５２】

【表２】

【００５３】表１においては、２０個のルツボのうち番
号１についての結果を示しており、「サンプルの位置」
とは、種結晶１８の上から順に上方へと向かって切り出
したときの各サンプルの切り出し位置を示し、数が少な
いほど種結晶部分に近く、数が大きいほど種結晶から遠
い。

【００５４】これから判る様に、１本の育成結晶の中で
は、下部の１０個のサンプルは組成の変化領域であり、
上部の５サンプルは溶融体の部分であることから、９８
０ｎｍの光アイソレータ素子として使用不能であること
が判明した。さらに、表１、２に示すように、２０本の
育成結晶すべてで、中間の５５サンプルは組成が均一と
なる。従って、同時に１１００個の組成が均一な単結晶
サンプルを育成できることを確認した。

【００５５】（比較例Ａ）従来のＴＨＭ法によって単結
晶を育成した。ルツボ兼密封部材として、内径１５ｍ
ｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ３ｍｍの石英ガラス製の容器
を使用した。容器の中に、約７５グラムの原料を投入
し、真空中で封入した。また、石英ガラス製容器の下部
２０ｍｍは、テーパー部分とし、その下に直径３ｍｍ、
長さ３０ｍｍの種結晶をセットし、実施例Ａと同様にし
て原料の溶解、単結晶の育成を実施した。耐圧１００気
圧の加圧容器を備えたＴＨＭ育成炉を用い、アルゴンガ
スで圧力３０気圧にし、加圧下で育成を実施した。用い
た加熱機構としては、融帯生成部の内径は３０ｍｍで長
さを２０ｍｍとし、アニール部と予熱部はそれぞれ内径
３０ｍｍ、長さ５０ｍｍとした。育成速度は４ｍｍ／日
であり、育成には２０日間を必要とした。

【００５６】上記により直径１５ｍｍ、長さ６０ｍｍの
単結晶体が得られた。これを横方向に切断し、厚さ３．
５ｍｍ、直径１５ｍｍのウエハーを１５枚得た。実施例
Ａと同様に特性測定した結果を、表３、表４にまとめ
る。

【００５７】

【表３】

【００５８】

【表４】

【００５９】表３、表４において、ウエハー番号は、試
料の下から１、２、３−１５番目のウエハーであること
を示しており、サンプルの位置は、図５（ａ）に示す各
位置を示している。目的とした組成が得られる領域は、
中心付近の直径７ｍｍ、長さ２５ｍｍ程度であることが
判明した。即ちこの育成方法では、直径２ｍｍ、長さ
３．５ｍｍの目的組成の素子は、３０個しか得られなか
った。

【００６０】（実施例Ｂ）実施例Ａと同様にして育成実
験を行った。ただし、石英ガラスの厚さは３ｍｍとし、
ルツボ１６ｂの内径は６ｍｍとし、長さは２００ｍｍと
し、拡張部分の内径は１０ｍｍとし、長さは５０ｍｍと
し、材質は内側にパイロリティックカーボンをコートし
たグラファイト製ルツボ（厚さ２ｍｍ）を使用した。原
料粉末は３０ｇ投入した。容器の本数は１０本とした。
融帯生成部の内径は１８ｍｍとし、長さを１５ｍｍと
し、予熱部およびアニール部の長さは５０ｍｍとした。

【００６１】１０本の各容器３０を所定箇所に固定し、
次いで常圧で加熱処理装置を５０℃／時間で温度を上昇
させた。融帯生成部の位置を種結晶１８の上端に合わせ
てセットし、１０５０℃に保持した。また、予熱部およ
びアニール部の温度を８００℃に保持した。この時の予
熱部と融帯生成部およびアニール部と融帯生成部の温度
勾配は、それぞれ６５℃／ｃｍであった。この状態で各
加熱処理装置を同時に１０ｍｍ／日で移動しつつ、同時
に９５０℃まで融帯生成部の温度を５０℃／日で降下し
た。４８時間後に９５０℃となった時点でそのまま温度
をキープし、１５日間各加熱処理装置の移動を継続し
た。育成終了後の降温は５０℃／時間で行い、１０本の
密封部材を取り出した。

【００６２】取り出したアンプルからルツボを取り出
し、種結晶部分１８の上から、厚さ３．５ｍｍ、直径６
ｍｍのウエハーを４０枚切り出した。各ウエハーから、
直径２．５ｍｍのサンプル４個を作製し、１６０個のサ
ンプルを得た。１０本の育成結晶から合計で１６００個
のサンプルを作製した。その組成とファラデー回転角お
よび光吸収のカットオフ波長の光学特性を検討した。こ
の結果を、表５、表６にまとめる。

【００６３】

【表５】

【００６４】

【表６】

【００６５】表５においては、１０個のルツボのうち番
号１についての結果を示しており、「ウエハー位置」と
は、種結晶１８の上から順に上方へと向かって切り出し
たときの各ウエハーの切り出し位置を示し、数が少ない
ほど種結晶部分に近く、数が大きいほど種結晶から遠
い。また、各ウエハーから切り出される４個のサンプル
の位置は、互いに対称であるので、原則として各ウエハ
ーについて一つのサンプルのみを試験した。ただし、表
５における「２０−１」−「２０−４」とは、ウエハー
２０に存在する４個のサンプルを示す。

【００６６】これから判る様に、１本の育成結晶の中で
は、下部の１０個のサンプルは組成の変化領域であり、
上部の５サンプルは溶融体の部分であることから、９８
０ｎｍの光アイソレータ素子として使用不能であること
が判明した。さらに、表５、６に示すように、２５本の
育成結晶すべてで、中間の５５サンプルは組成が均一と
なる。従って、同時に１０００個の組成が均一な単結晶
サンプルを育成できることを確認した。

【００６７】（比較例Ｂ）比較例Ａと同様にして、単結
晶の育成を実施した。ルツボ兼密封部材として、内径９
ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ３ｍｍの石英ガラス製の容
器を使用した。容器の中に、約７５グラムの原料を投入
し、真空中で封入した。また、石英ガラス製容器の下部
２０ｍｍは、テーパー部分とし、その下に直径３ｍｍ、
長さ３０ｍｍの種結晶をセットし、実施例Ａと同様にし
て原料の溶解、単結晶の育成を実施した。耐圧１００気
圧の加圧容器を備えたＴＨＭ育成炉を用い、アルゴンガ
スで圧力３０気圧にし、加圧下で育成を実施した。用い
た加熱機構としては、融帯生成部の内径は２０ｍｍで長
さを１５ｍｍとし、アニール部と予熱部はそれぞれ内径
３０ｍｍ、長さ５０ｍｍとした。育成速度は７ｍｍ／日
であり、育成には２０日間を必要とした。

【００６８】上記により直径１０ｍｍ、長さ１４０ｍｍ
の単結晶体が得られた。これを横方向に切断し、厚さ
３．５ｍｍ、直径１０ｍｍのウエハーを３５枚得た。実
施例Ａと同様に特性測定した結果を、表７、表８にまと
める。

【００６９】

【表７】

【００７０】

【表８】

【００７１】表７、表８において、ウエハー番号は、試
料の下から１−３５番目のウエハーであることを示して
おり、サンプル位置は、図５（ｂ）に示す各位置を示し
ている。目的とした組成が得られる領域は、中心付近の
直径６ｍｍ、長さ８０ｍｍ程度であることが判明した。
即ちこの育成方法では、直径２．５ｍｍ、長さ３．５ｍ
ｍの目的組成の素子は、８０個しか得られなかった。

【００７２】（実施例Ｃ）本発明を、プレート状ないし
板状の単結晶の製造に対して適用できる。この際には、
単結晶を育成するための容器の形状を板状とする。特に
好ましくは、容器が、ルツボと、このルツボを収容する
ための密封部材とを備えており、ルツボが、上下方向に
延びる板状部分と、この板状部分の上側に設けられてい
る拡張部分とを備えている。

【００７３】このようにして得られるプレート状ないし
板状の単結晶は、例えば、偏光子を備えたファラデー素
子の量産に利用できる。即ち、板状ないしプレート状の
単結晶をファラデー素子とし、このファラデー素子の表
面に、ルチルやポーラコア等の板状の偏光子を貼り合わ
せて接合体を得、次いでこの接合体を切削し、切断する
ことによって、多数のチップを作製することができる。

【００７４】図６（ａ）、（ｂ）を参照しつつ、本実施
形態について更に説明する。ただし、図６において、図
４に示した各構成部分と同じ構成部分には同じ符号を付
け、その説明を省略する。容器３３は、ルツボ３６と、
ルツボ３６を収容し、密封している密封部材３５とを備
えている。ルツボ３６は、平板状部分３６ｂ、拡張部分
３６ａおよびこれらの連結部分３６ｃを備えている。密
封部材３５も、平板状部分３５ｂ、拡張部分３５ａおよ
びこれらの連結部分３５ｃを備えている。３６ｄは、ル
ツボ３６の開口である。

【００７５】得られる単結晶の組成を一層均一化すると
いう観点から、ルツボの板状部分の内側空間の厚さを５
ｍｍ以下とすることが好ましく、３ｍｍ以下とすること
が一層好ましい。この厚さの下限は特に限定する理由は
ないが、少なくとも最終製品の厚さ以上である必要があ
り、単結晶のハンドリングし易さの観点からは２ｍｍ以
上とすることが好ましい。また、ルツボの板状部分の内
側空間の幅については特に制限はないが、例えば１０−
８０ｍｍとすることができる。

【００７６】図６（ａ）、（ｂ）に示す容器を使用し、
図１−図４を参照しつつ説明した前記方法に従って、Ｈ
ｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ系の組成を有する単結晶からなる
光学材料を育成した。粉末原料１７として、Ｃｄ、Ｍ
ｎ、Ｈｇ−Ｔｅ合金およびＣｄ−Ｔｅ合金を使用した。
種結晶として、ＣｄＴｅの（１１１）方位の平板状結晶
（厚さ４ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ３０ｍｍ）を使用し
た。原料４００ｇを、調合後の組成が（Ｈｇ0.16Ｃｄ0.
68Ｍｎ0.16）Ｔｅとなるように調合した。密封部材１５
の材質を石英ガラスとし、厚さを２ｍｍとした。ルツボ
３６の平板状部分３６ｂの内側空間の厚さを３ｍｍと
し、幅を１５ｍｍとし、長さを１２０ｍｍとした。ルツ
ボ３６の拡張部分３６ａの内側空間の厚さを５ｍｍと
し、幅を１５ｍｍとし、長さを３０ｍｍとした。ルツボ
３６の材質を厚さ１ｍｍのｐ−ＢＮとした。種結晶を容
器中に投入した後、４０ｇの粉末原料をルツボ３６内に
投入し、密封部材の中にルツボを入れ、密封部材を密封
した。

【００７７】１０本の密封部材を使用して各容器３３を
製造し、実験Ａと同様にして多結晶原料を得た。次い
で、各容器３３を取り出し、図１、図２に示す製造装置
にセットした。ただし、各加熱処理装置の融帯生成部の
内側空間の形状は、厚さ１５ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ１
０ｍｍである。予熱部およびアニール部の長さは５０ｍ
ｍである。加熱処理装置は、平板形状に成形された金
属、合金またはセラミックス製の発熱体からなる。各容
器３３の両端部を固定軸によって固定した。

【００７８】このようにして、１０本の各容器３３を所
定箇所に固定し、次いで常圧で加熱処理装置を５０℃／
時間で温度を上昇させた。融帯生成部の位置を種結晶３
８の上端に合わせてセットし、１０５０℃に保持した。
また、予熱部およびアニール部の温度を８００℃に保持
した。この時の予熱部と融帯生成部およびアニール部と
融帯生成部の温度勾配は、それぞれ６５℃／ｃｍであっ
た。この状態で各加熱処理装置を同時に１０ｍｍ／日で
移動しつつ、同時に９５０℃まで融帯生成部の温度を５
０℃／日で降下した。４８時間後に９５０℃となった時
点でそのまま温度をキープし、９日間各加熱処理装置の
移動を継続した。育成終了後の降温は５０℃／時間で行
い、１０本の密封部材を取り出した。

【００７９】取り出した密封部材からルツボを取り出
し、種結晶部分３８の上から１２ｍｍの厚さで育成結晶
を切り出し、９個のサンプルを得た。各サンプルを、縦
１２ｍｍ、横１２ｍｍの寸法に切り出し、厚さが３．５
ｍｍとなるように両面研磨加工した。全部で１０本のル
ツボから合計で９０個のサンプルを育成し、その組成と
ファラデー回転角および光吸収のカットオフ波長の光学
特性を検討した。この結果を、表９、表１０にまとめ
る。

【００８０】

【表９】

【００８１】

【表１０】

【００８２】表９においては、１０個のルツボのうち番
号１についての結果を示す。「サンプル位置」とは、図
７（ａ）に示すように、種結晶３８の上から順に上方へ
と向かって切り出したときの各サンプルの切り出し位置
を示す。種結晶３８の直上のサンプルは「１」となり、
多結晶２２の直下のサンプルは「９」となる。また、図
７（ｂ）に示すように、各サンプルについて、ａ−ｇの
各点について、組成、ファラデー回転、カットオフ波長
を評価した。「サンプル位置」には、ａ−ｇの各位置も
表示した。

【００８３】これから判る様に、１本の育成結晶の中で
は、下部の２枚のサンプルは組成の変化領域であり、上
部の１サンプルは溶融体の部分４０であった。表９、１
０に示すように、１０本の育成結晶すべてで、中間の６
枚のサンプルは組成が均一となる。使用可能な１枚の平
板状サンプルからは、切断後には、縦２ｍｍ、横２ｍｍ
の光アイソレータ素子が２５個得られる。

【００８４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、単
結晶の原料が充填されている容器を熱処理することによ
って容器中に単結晶を生成させるための製造装置におい
て、単結晶における組成偏析や異種結晶の生成、結晶方
位のずれなどを防止して、単結晶の特性を向上、安定さ
せることができ、同時に、単結晶を量産できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る製造装置を模式的に
示す平面図である。

【図２】本発明の一実施形態に係る製造装置を模式的に
示す正面図である。

【図３】（ａ）は、本発明で使用できる容器３０のルツ
ボ１６内に粉末原料１７が充填されている状態を模式的
に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の容器内の多結
晶２０を加熱処理している状態を模式的に示す断面図で
ある。

【図４】（ａ）は、ルツボ１６内に単結晶２３、多結晶
２２が生成している状態を模式的に示す断面図であり、
（ｂ）は、ルツボ１６の筒状部分の切断によって得られ
た柱状体２４を示す断面図であり、（ｃ）は、図４
（ｂ）のＩＶｃ−ＩＶｃ線断面図である。

【図５】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ比較例Ａ、Ｂにお
いて、単結晶ウエハーから表３、４、７、８に示す各サ
ンプルを切り出すときの、各サンプルの切り出し位置を
示す平面図である。

【図６】（ａ）は、密封部材３５中のルツボ３６内に単
結晶３４、多結晶２２が生成している状態を模式的に示
す縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）とは垂直な方向に
密封部材およびルツボを切ってみた状態を示す縦断面図
である。

【図７】（ａ）は、実施例Ｃにおいて得られた単結晶か
ら切り出した各サンプルの上下方向の位置を示す断面図
であり、（ｂ）は、実施例Ｃにおいて得られた単結晶か
ら切り出した各サンプルの横方向の位置を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１耐火物３結合部材４昇降駆動
装置５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆ加熱処理
装置６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ
加熱処理領域７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ、
７Ｆ、３０、３３容器８、９固定軸
１０軸１２予熱部１３融帯生成部１４
アニール部１５、３５密封部材１６、３６ルツボ
１６ａ、３６ａルツボ１６、３６の拡張部分
１６ｂルツボ１６の筒状部分１７ルツボ
内に投入されている粉末原料１８円柱状の種
結晶１９、２３単結晶２０多結晶原料
２１融帯２２多結晶２４柱状体
３６ｂルツボ３６の平板状部分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶の原料が充填されている複数の容器
を熱処理することによって前記各容器中に前記単結晶を
生成させるための製造装置であって、前記の各容器に対
してそれぞれ対応する各加熱処理装置、前記各容器を各
加熱処理装置に対して上下方向に相対的に移動させるた
めの昇降駆動装置、および複数の前記容器と複数の前記
加熱処理装置との少なくとも一方に対して前記昇降駆動
装置を機械的に結合するための結合部材を備えており、
前記昇降駆動装置を駆動することによって前記各容器を
前記各加熱処理装置に対して上下方向に相対的に移動さ
せ、前記加熱処理装置によって生成する加熱処理領域内
に前記容器を通過させて前記容器中の前記原料に連続的
に融帯を生成させ、この融帯を固化させることによって
前記容器中に前記単結晶を連続的に生成させることを特
徴とする、単結晶の製造装置。
【請求項２】前記加熱処理装置が、前記融帯を生成させ
るための融帯生成部と、この融帯生成部の上側に設けら
れている予熱部と、前記融帯生成部の下側に設けられて
いるアニール部とを備えていることを特徴とする、請求
項１記載の単結晶の製造装置。
【請求項３】前記各加熱処理装置が、それぞれ、対応す
る前記各容器を収容し、包囲する形状を有していること
を特徴とする、請求項１または２記載の単結晶の製造装
置。
【請求項４】前記容器が、前記原料が充填されているル
ツボと、このルツボを収容し、密封している密封部材と
を備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれ
か一つの請求項に記載の単結晶の製造装置。
【請求項５】前記容器のうち前記単結晶を育成する領域
の内径が７ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１
−４のいずれか一つの請求項に記載の単結晶の製造装
置。
【請求項６】前記ルツボが、上下方向に延びる筒状部分
と、この筒状部分の上側に設けられている拡張部分とを
備えていることを特徴とする、請求項４記載の単結晶の
製造装置。
【請求項７】前記筒状部分の内径が７ｍｍ以下であるこ
とを特徴とする、請求項６記載の単結晶の製造装置。
【請求項８】前記ルツボが、上下方向に延びる板状部分
と、この板状部分の上側に設けられている拡張部分とを
備えていることを特徴とする、請求項４記載の単結晶の
製造装置。
【請求項９】前記板状部分の内側空間の厚さが２−５ｍ
ｍであることを特徴とする、請求項８記載の単結晶の製
造装置。
【請求項１０】単結晶の原料が充填されている複数の容
器を熱処理することによって前記各容器中に前記単結晶
を生成させるのに際して、前記の各容器に対してそれぞ
れ対応する各加熱処理装置、前記各容器を前記各加熱処
理装置に対して上下方向に相対的に移動させるための昇
降駆動装置、および複数の前記容器と複数の前記加熱処
理装置との少なくとも一方に対して前記昇降駆動装置を
機械的に結合するための結合部材を設け、前記昇降駆動
装置を駆動することによって前記各容器を前記各加熱処
理装置に対して上下方向に相対的に移動させ、前記加熱
処理装置によって生成する加熱処理領域内に前記容器を
通過させて前記容器中の前記原料に連続的に融帯を生成
させ、この融帯を固化させることによって前記容器中に
前記単結晶を連続的に生成させることを特徴とする、単
結晶の製造方法。
【請求項１１】前記容器が、前記原料が充填されている
ルツボと、このルツボを収容し、密封している密封部材
とを備えていることを特徴とする、請求項１０記載の単
結晶の製造方法。
【請求項１２】前記ルツボの最下部内に前記単結晶の種
結晶を収容し、次いでこの種結晶の上に前記原料を充填
することを特徴とする、請求項１１記載の単結晶の製造
方法。
【請求項１３】前記ルツボが、上下方向に延びる筒状部
分と、この筒状部分の上側に設けられている拡張部分と
を備えており、前記原料を前記筒状部分および前記拡張
部分に充填し、前記単結晶を少なくとも前記筒状部分中
に生成させることを特徴とする、請求項１１または１２
記載の単結晶の製造方法。
【請求項１４】前記ルツボが、上下方向に延びる板状部
分と、この板状部分の上側に設けられている拡張部分と
を備えており、前記原料を前記板状部分および前記拡張
部分に充填し、前記単結晶を少なくとも前記板状部分中
に生成させることを特徴とする、請求項１１または１２
記載の単結晶の製造方法。
【請求項１５】前記単結晶を前記筒状部分または板状部
分と前記拡張部分中との中に生成させ、前記筒状部分ま
たは板状部分中に生成した前記単結晶を使用することを
特徴とする、請求項１３または１４記載の単結晶の製造
方法。
【請求項１６】前記筒状部分の少なくとも一部を前記ル
ツボから切り出すことによって、筒状被覆部分と前記単
結晶とからなる柱状体を得、この柱状体を光学材料とし
て使用することを特徴とする、請求項１３または１５記
載の単結晶の製造方法。
【請求項１７】前記容器の加熱処理を非加圧条件下で実
施することを特徴とする、請求項１０〜１６のいずれか
一つの請求項に記載の単結晶の製造方法。
【請求項１８】前記単結晶がＨｇ−Ｃｄ−Ｍｎ−Ｔｅ系
の組成を有する単結晶であり、前記原料として水銀−テ
ルル合金およびカドミウム−テルル合金を使用すること
を特徴とする、請求項１０−１７のいずれか一つの請求
項に記載の単結晶の製造方法。