JPS5854115B2 - タンケツシヨウセイチヨウホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は結晶成長法に関する。

本発明の第１の目的は、従来技術で可能であったよりは
るかに大きな寸法の高品質単結晶を成長させる方法を提
供することである。

他の目的としては、セラミック、金属、あるいは複合材
料（例えばサファイヤ、ルビー、スピネル、共晶体等）
の単結晶の成長法であって、対流あるいは他の渦流、ガ
ス気泡、構造上の過冷却、高い不純物濃度そして大きい
温度勾配によって通常もたらされる諸問題が実質上無く
なる単結晶成長法を提供することが含まれる。

本発明は、ルツボに材料を装入し、該材料の融点以上に
ルツボを加熱し、次いでルツボの底部中心部から熱を奪
い密融材料を凝固させる工程から成る単結晶成長法にお
いて、ルツボ側壁部の塩度を、ルツボ内の実質上すべて
の材料が凝固してしまうまで、該材料の融点以上の塩度
に維持することを特徴とする改良である。

ルツボの底部に取り付けられた冷却ガス熱交換器によっ
て熱を奪い、ルツボの直径を上記熱交換器の直径の少な
くとも２倍とし、モしてルツボの高さをその半径以上と
した好適方法にあっては、本発明は、熱交換器の頂部領
域より小さくはない種結晶をルツボ内に置くとともに、
上記熱交換器の上に位置を決め、該熱交換器内に列却ガ
スを流がし始めると共に該材料の融点より約５０℃以上
高い湿度にルツボ側壁部を過熱して融体に接種（５ｅｅ
ｄ ）を行ないＪレツボ側壁の過熱塩度を維持しなから
熱交換器への冷却ガスの流れを増加させて浴融材料の１
部を凝固−させ、次いで毎時約１５℃以下の速度でルツ
ボ側壁の温度を該材料の融点までの塩度に除々に下げ、
その間熱交換器の温度が毎時１００℃までの速度で冷却
ガスの流れを続けて増大させて溶融材料の残りの部分の
実質上すべてを凝固させ、次いで該凝固材料の焼きなま
しをするに必要な程度にルツボ温度および熱交換器塩度
を調節することを特徴とする。

その他の目的、特徴および利益は、添付図面を参照した
本発明の好適実施例についての以下の説明から、明らか
になろう。

ここに添付図面についてさらに詳述すると、第１図では
真空炉（黒鉛抵抗炉）１０が真空ポンプ１２に接続して
いる。

この炉はマサチュセツツ州ＷｏｂｕｒｎのＡｄｖａｎｃ
ｅｄ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製であった。

炉１０内には二重壁加熱室（全体を符合１４で表わす）
が設けられている。

図示するように、加熱室１４の外壁部（周囲壁、頂部お
よび底部）はステンレス製であって、真空炉１０の隣接
壁から離れて設けられている。

加熱室１４は、炉１０の円筒状壁１１から内側に突き出
ていて室１４の底部１５の外側リムと係合している環状
フランジ部１６によって真空炉内に支持されている。

加熱室１４の内壁部は円筒状の黒鉛スリーブ１８、頂部
蓋２０および底板２２から形成されている。

内側壁と外側壁との間の空間には黒鉛フェルト断熱材２
４が充填されている。

加熱室の内部への出入りが出来るように、真空炉１０の
頂部１３および加熱室１４の頂部１７（黒鉛頂部板２１
、ステンレス鋼頂部板１９およびこれら２つの頂部板の
間の断熱材２４を含めて）は取外すことができるように
なっている。

円筒状の抵抗加熱体２６は加熱室１４内部の円筒状空間
部２８内に設けられている。

該加熱体の電力供給制御用リード３０は加熱室１４およ
び炉１０のそれぞれの周壁内を通っている。

ヘリウムで冷却したタングステン／モリブデン熱交換器
３２は炉１０の底部に取付けられており、炉内に突出て
いて、加熱室１４の底部を通って空間２８にまで伸びて
いる黒鉛スリーブ３３内を通っている。

米国特許第３６５３４３２号により一層明確に示されて
いるように、熱交換器３２は、炉１０の底部の外側に取
り付けられたベースセグメント３４、およびベースセグ
メント３４から空間部２８に伸びている中空の円筒状ロ
ンドセグメント３６を含むものである。

ロンドセグメント３６の頂部３８は平担である。

タングステン製の導入管４０および熱電対４４は熱交換
器３２の内部をロッドセグメント３６内を通ってベース
セグメント部３４から隣接頂部３８に伸びている。

出口管４２はベースセグメント部３４に設けられた出口
孔（ロンド３６の内部と連絡している）から伸びている
。

出口管４２および入口管４０は共にヘリウム源４５に連
絡している。

ヘリウム源４５からのヘリウムは、所望により、再循環
させても、あるいは大気中に放出してもいずれでも良い
。

ロンドセグメント３６の寸法は結晶化すべき特定の物質
にある程度依存して定まる。

非較的小さな熱伝導性および拡散性を有するセラミック
物質（例えばサファイヤ）に対しては、ロンドセグメン
ト３６および頂部３８の全体の直径は代表的には約１９
ｍｍ（３／４インチ）である。

金属の場合（熱伝導性および拡散性がより大きい）、代
表的にはより小さな熱交換器を使い、熱吸収速度を小さ
くすることができる。

あるいは、熱交換器の頂部とルツボ底部との間に絶縁を
施し、または加熱帯域中での熱交換器の位置を高くして
も良い。

これら後者の手段はいずれも、ヘリウムの流れ速度を特
定した場合、熱の吸収速度を小さくすることになる。

第２図に最もはっきり示すように、その内部で結晶が成
長する耐火性ルツボ４８は、加熱室空間部分１４の内部
にあって、熱交換器３２の頂部３８によって、また厚さ
２．５４Ｃｒｎ（１インチ）、直径約１９ＣｒｒＬ（７
１インチ）の黒鉛支持板５４の上側表面にあって、半径
方向に伸びた溝部５２に垂直に取り付けられている８つ
のタングステン板５０によって、支持されている。

支持板５４は底部板２２上に係止している。

支持板５４の溝部５２は４５度の規則正しい間隔で設け
られている。

各タングステン板５０は、長さが約１インチ、高さが３
／４インチそして厚さが０．０４０インチであり、ルツ
ボ４８の底部の外側の環状部分と係合している。

熱交換器のロンドセグメント３６は支持板５４の中心部
の孔５５内を伸びており、該ロンドセグメントの平担な
頂部３８はルツボ４８の底部４９の中心部と係合してい
る。

ルツボ４８は結晶化する物質に対し化学的に不活性な材
料から作られる。

代表的には、該ルツボは、耐火材料（モリブデン、タン
グステン、イリジウムあるいはレニウム）、高純度黒鉛
、あるいは石英からできている。

ルツボ全体の直径は、熱交換器の頂部３８の直径より大
きなものでなければならない（一般には少なくとも２倍
）。

また、その高さは半径に等しいかあるいはそれより大き
なものでなければならない。

代表的には、ルツボ直径は熱交換器頂部の直径よりかな
り大きなものとなり（例えば、約８倍）、そしてその高
さはその直径とはマ等しいものとなる。

ルツボ４８はその全体の直径が１６．５ＣＩｒＬ（６’
／２インチ）であり、その全体の高さは１５．２ｃｒｒ
Ｌ（６インチ）である。

ルツボは代表的には円板状の材料を施盤で回転させて形
成する。

したがって、底部の厚みは側面部の厚みより大きい。

ルツボ底部４９の厚みは１．０ｍｍ（０，０４０インチ
）であり、円筒状壁５６の厚みは約０．８ｍｍ（０，０
３０インチ）である。

円筒状壁からルツボ底部への熱の流れを少なくするため
には、薄壁の環状部分５８（厚み０．５ ｍｍ（０，０
２０インチ））をルツボ底部から約９．５ｍｍ（３／’
８インチ）のところに設ける。

ルツボの頂部は、中心に直径２．５４ＣｒｒＬ（１イン
チ）ののぞき穴６２を設けた、ルツボ４８と同じ材料か
ら作った蓋板６０で覆われている。

のぞき穴６４．６６はそれぞれ炉１０の頂部１３および
加熱室１４の頂部１７を通って伸びており、ルツボ蓋板
６０ののぞき穴６２と同軸に配置されている。

頂部１３を通るのぞき穴６４は、もちろん、真空密にな
っており、レンズ機構６８によって構成される。

加熱室の頂部１７を通るのぞき穴６６は加熱室の頂部１
７の二重壁１９．２０の間を伸びている円筒状の黒鉛製
スリーブによって区画されている。

全体をそれぞれ７０および１２で示されている他の２つ
ののぞき穴機構によって、加熱体２６およびルツボ４８
の垂直側壁５６の湿度が結晶成長期間中監視できる。

各機構には３つの同軸に置かれたのぞき穴があり、１番
目のものはそれぞれ符号７４．７６で示され、炉１０の
円筒状縁部において真空密のレンズ機構によって形成さ
れ、炉１０の縁壁１１内を伸びている。

第２番目のものは、それぞれ符合７８．８０で示され、
加熱室１４の円筒状二重壁内を伸びている黒鉛製スリー
ブによって形成されている。

第３番目のものは、それぞれ符合８２．８４で示され、
加熱体２６内を伸びている。

のぞき穴機構７０，７２の外側の一端にはそれぞれ近接
してパイロメータ７１Ｊ３が取り付けられている。

図示するように、のぞき穴機構７０は、パイロメータ７
１が、ルツボ４８の頂部の真上の加熱体２６の垂直壁の
内側表面を見るような位置にある。

のぞき穴機構７２は上記機構７０の下方にあり、そのた
め、底部４９の上方的１２．７ｍｍ（１７２インチ）モ
して薄壁部５８の真上においてルツボ４８の側壁５６を
見ることができる。

パイロメータ７１または７３、および熱電対４４は制御
器８５に接続されている。

制御器８５の一方の出力側は加熱体２６の電源８６に接
続されている。

第２の出力側はヘリウム源４５に接続されている。

制御器８５はパイロメータγ１および７３によって検出
された湿度に応答し、加熱体２６およびルツボ４８の湿
度を適当な水準に維持するに必要な、加熱源８６から供
給される電力を変化させる。

そして、さらに、熱電対４４によって検出される湿度に
応答してヘリウム源４５からの必要とされる流れを変化
させて熱交換器頂部３８の湿度を変化させる。

実施に当っては、ルツボ４８をまず、例えば硝酸および
クロロツクス（ｃｈｌｏｒｏｘ ）でもって洗浄し、不
純物を除去する。

なお、「クロロツクス」とは次亜塩素酸ソーダまたは次
亜塩素酸カルシウムおよび炭酸塩を主成分とする液体の
塩素漂白剤につけられた米国の登録商標である。

種結晶を使用するような成長法にあっては、熱交換器３
２の頂部３８の直径よりも全体の直径がわずかに大きい
、第３ａ図に破線で示す種結晶１００をルツボ底部４９
の中心部に置く。

このルツボは次いで溶融されるべき物質の小片で満たす
。

種結晶を使用する場合には、この小片のいくつかの小片
を結晶の周囲にしっかりと配置させ、その位置に固定す
る。

最大量を装入するためには、それらの小片をすべて１つ
づつ炉内に置き、それらをできるだけ密着させる。

装填したルツボは、次いで、ルツボ底部４９を熱交換器
の頂部３８に当てかうようにして加熱室１４に入れる。

該熱交換器の高さ、すなわち、熱交換器が加熱室へ突き
出ている距離は、実験によって決定される。

熱交換器は、ルツボ側壁を収容物質の融点以上（通常は
５０℃）に過熱する場合に、熱交換器を通るヘリウムの
比較的小さな流速（代表的には約１．１３ｍ”／ｈ（４
ｏ Ｃ、ｆ、 ｈ ））の速度のため種結晶の溶融が防
止されるような位置に配置される。

図面に示すように、種結晶は熱交換器頂部３８の各側面
かられずかに張り出している。

支持板５４には溝部５２が設けられていて、その深さは
、ルツボを冷却した場合、タングステン板５０の頂部が
ルツボ底部よりわずかに下にくるような程度である。

ルツボの温度を上昇させると、ルツボはわずかにたるみ
、その底部４９が板５０につくようになる。

蓋板６０はのぞき穴６２をルツボおよび熱交換器と同軸
に配列させなからルツボのうえに置き、加熱室１４およ
び炉１０の頂部１７，１３を元の位置にもどす。

次いで、真空ポンプ１２を始動させ、炉を約０．１Ｔｏ
ｒｒの圧力にまで排気する。

注意すべきことは、後に述べる成長法にあっては、炉の
圧力が高められることである。

炉圧力が所望水準に達してから、熱源８６を付勢する。

加熱体２６に供給される電力は徐々に増加し、そのため
代表的には、加熱室内の温度は毎時約２５０℃を越えな
い速度で上昇する。

加熱体に与えられる電力は、のぞき穴６２，６４，６６
から見て、ルツボ内の物質が溶融しはじめるまで、増加
させられる。

最初に融解する物質は、ルツボの円筒状外壁に近接した
部分の小片である。

そのような小片の融解が観察されると直ちに、それぞれ
パイロメータ７１および７３、および熱電対４４によっ
て示されるように、加熱体２６の温度（ＴＦ）、ルツボ
側壁５６の温度（Ｔｗ）、および熱交換器３６の温度（
ＴＨＥ）を測定して記録する。

特定の物質が融解する実際の湿度は変化しないものであ
るが、異なった別の装置によって表示される融点（Ｔｍ
ｐ）はルツボと熱電対との接触、１つののぞき孔をもっ
た組立体の寸法および長さ、窓の清浄度等によって多少
変化することがある。

プロセスを正確に制御するには、それらの器具の目盛り
を調べて調整することが重要である。

種結晶を使用するときは、種結晶が融解してしまわない
ようにすることが重要である。

したがって、ルツボ３６内の小片の融解が開始すると直
ちに、ヘリウム源４５を始動させて、室部ヘリウムの前
述の初期流れ、代表的には約１．１３ ｍ３／ ｈ（４
０ｃ、ｆ、ｈ ）の流れ速度で流がす。

電源８６から加熱体２６に与えられる電力量は、初期融
点よりも代表的には約５０℃高い温度にルツボ側壁を過
熱するまでさらに増加する。

次いで電力入力量は炉内のすべての湿度が安定するまで
一定に保持される。

この段階にあって、条件は第３ａ図に実質上示す通りで
ある。

加熱体の流度ＴＦおよびルツボ側壁の温度Ｔｗは実質上
等しく、ルツボ内の物質の融点より高い（代表的には約
５０℃高い）。

ルツボ内の物質は種結晶１００を除いて溶融し、液体１
０２となる。

この液体は種結晶１００の縁辺を（図中実線で示す範囲
まで）溶解させ、核発生を促進させるが、熱交換器上の
種結晶の大部分の溶解は熱交換器３２を通るヘリウムガ
スの流れによって防止される。

ヘリウムガスの流れのため、熱交換器３２の頂部３８の
温度１）（Ｅおよび底部４９の隣接係合部分の温度は、
加熱体およびルツボの円筒状壁の温度が融点以上である
にもかかわらず、種結晶の融点より低い。

加熱体およびルツボ側壁を、結晶化すべき物質の融点以
上に過熱するその程度は、いくつかの因子、特にその物
質の伝導性、望ましい結晶成長速度、およびルツボ直径
対熱交換器直径の比によって定まる。

代表的には、過熱の程度は約５０℃である。

結晶成長速度が比較的小さく、熱伝導性が大きく、そし
て／またはルツボと熱交換器との直径の比が小さい結晶
成長操作にあっては、融点より１００℃あるいはそれ以
上に過熱することが望ましいこともある。

本発明に係るすべての方法にあって、ルツボ側壁および
熱交換器頂部の各湿度を各別に制御して、該物質の固体
および液体部分の間の湿度勾配を所望かつ必要な程度と
することによって、単一の結晶に成長する。

初期の結晶成長は、熱交換器３２内のヘリウムガス流れ
の速度を徐々に上げ（代表的には約０．２８〜０．４２
５ｉ／ｈ（１０〜１５ｃ、ｆ、ｈ））、ゆっくりと熱交
換器の湿度を下げるとともにルツボ中心の底部からの熱
吸収速度を増すことによって、開始される。

これと同時に、電力源８６から加熱体２６に供給される
電力量を、加熱体２６およびルツボ垂直壁５６の各温度
（パイロメータ７１．７３によって観察される）を一定
に保持するに必要なだけ増大させる。

結晶成長のこの初期期間の長さはルツボの寸法および結
晶化される物質の種類によって定まる。

代表的には、約６時間ないし８時間である。

この初期期間の終期においては、それらの条件は第３ｂ
図に実質上示す通りである。

熱交換器の頂部３８の温度ＴＨＥは融点Ｔｍｐより十分
低くなっている。

加熱体２６の塩度およびルツボ４８の円筒状側壁５６の
塩度は、融点よりも代表的には５０℃高い最初の過熱状
態にまだ在る。

結晶成長（融体中の液体の凝固）は、凝固結晶、つまり
ボウル１０４が卵形に似た形状となる段階に入る。

このボウル全体は熱交換器３２の頂部３８に重なった部
分を除いて、溶融体に取り囲まれており、その正確な寸
法および形状の直接には観測できない。

ボウルの一般的形状は、ルツボ頂部の物質が液体であり
、ルツボの側壁全体が融点より十分高い湿度にあり、そ
して、ルツボの頂部および底部に近い部分のルツボ壁が
さらに高温である（加熱室１４の頂部および底部からの
輻射熱による）という事実から分かつている。

結晶成長を更に進行させるためには、熱交換器内を通る
ヘリウムガスの流れの速度を増加させるばかりでなく、
ルツボ垂直壁の湿度を低下させることも必要である。

したがって、結晶成長の次の期間中にあっては、ヘリウ
ムガスの流れをさらに増加させ、代表的には０．２８〜
０．４２５ ｒｒｌ／ ｈ（１０〜１５ｃ、ｆ、ｈ）の
同じ速度で増加させ、そして熱交換器の頂部３８の観測
湿度を下げつづける。

さらに、加熱体２６に与えられる電力は観測温度が同じ
く観測される融点より約５℃高い温度に到達するまで、
加熱体２６の塩度およびルツボ４８の円筒状壁の塩度が
、代表的には毎時１５°Ｃ以下の速度で、好ましくは毎
時５℃の速度でゆっくり低下するような割合で少なくし
てゆく。

はゾこの時期に、凝固は第３ｃ図に示すようにまで進行
している。

凝固結晶ボウル１０４の頂部は、のぞき穴６２，６４，
６６から観察されるように、融体の頂部を割ってでてく
る。

ボウル１０４とルツボの垂直円筒状壁との間の液体（ま
だ融点以上の塩度に在る）の薄い環状部分１０６を除い
て、ボウルはルツボ全体を実質上占める。

環状部分１０６はその頂部１０８および底部１１０の近
傍が最も厚く、これはすでに述べたように、ルツボの最
も商況な部分に近接している。

結晶化を完結させるには、ルツボ４８に残った液体のみ
が非常に薄いフィルム、つまりメニスカスとなって、固
体結晶ボウル１０４の頂部から流れ出し、モしてルツボ
の側面からそっと出てくるのが、のぞき穴６２，６４．
６６から観測されるまで、ヘリウムガスの流れをゆっく
り増大させながらまた炉温度を除々に低下させる。

この時点にあって、ルツボ側壁の温度は、わずかに湿度
の高い頂部および底部を除いて、はゾ融点に等しく、そ
して凝固は実質上完結する。

最後のメニスカス部分は、加熱体２６に供給される電力
をさらに減少させて加熱室およびルツボの塩度を融体の
湿度よりわずかに低くすることによって、凝固させる。

加熱室および熱交換器の各塩度を結晶成長期間中に低下
させる速度は臨界的である。

いずれか一方又は両方の低下速度が大きすぎるならば、
ガス気泡および高い転位密度が結晶ボウルに生じてしま
う。

正確な限界は成長させる結晶の種類によって定まる。

例えば、サファイヤのようなセラミックスを成長させる
ためには、炉温度およびルツボ壁塩度は、一般に、毎時
１０℃を越える速度で低下させるべきではなく、また熱
交換器の温度は毎時５０℃より速い割合では低下させる
べきではない。

金属結晶の場合、低下速度はより低く、代表的にはそれ
ぞれ５８Ｃ／時、および２５°Ｃ／時を越えない程度と
すべきである。

凝固が完結してから、ボウルは生じた凝固応力を解放す
るような仕方で室温にまで冷却する。

これには次の３つの工程が含まれる。

第１に、熱交換器へのヘリウムガスの流れをゆっくり停
止し、その間炉電力を、炉温度が最初の融点より約５０
℃低い湿度となるように、減少させる。

第２に、このボウルを、数時間という焼純時間だけ、融
点より約５０℃低い湿度に保持する。

第３に、炉電力をさらに減少させ、炉およびボウルを室
温にまでゆっくりと冷却する。

代表的には、最初の工程は約３または４時間かかり、そ
して、第３工程において温度は約５００Ｃ／時の速度で
低下させる。

以下の実施例はさらに本発明を説明するためのものであ
る。

実施例 １ 直径約２５．４ｍｍ（１インチ）のサファイヤ種結晶を
モリブテン製ルツボに入れ、ルツボにはＶｅｒｎｅｕ
ｉ Ｉサファイヤ（ベルヌーイ法によるサファイヤ）の
破砕小片を詰め込んだ。

このルツボは炉に入れ、炉を排気しそして電力源のスイ
ッチを入れた。

電力は２５０℃／時の速度で炉温度を上昇させる割合で
増大させた。

約８時間後、ルツボ側壁のサファイヤは溶は始めた。

溶解したことを確認したとき、装置をこれに合わせて標
準としく ｃａｌｉｂｒａｔｅ ）、ヘリウム源を始動
させ、１．１３ ｍ３／ ｈ（４０ｃ、ｆ、ｈ）の開始
速度で熱交換器内にヘリウムガスを送った。

炉温度は、次いで、観測された初期融点より約５０℃高
くなるまでさらに上昇させ、この湿度に４時間の間保持
して炉内条件を安定化させた。

結晶成長を開始させるために、熱交換器内へのヘリウム
ガス流れの速度を次いで毎時１．１３ｍ″（４０ｃｔｆ
）の初期流れ速度から、毎時約０．２８ｍ”（１０ｃ
ｐ ｆ ）の割合で、２．８３ ｍ３（１００ｃ、ｆ）
の流れを速度に到達するまで増加させた。

この流れを増大させる期間は約６時間に亘り、この期間
中炉に供給される電力をルツボ側壁の観測される温度を
最初の融点より５０℃高く一定に維持するに必要な程度
に調節した。

結晶成長の次の段階において、この段階ははゾ１８時間
に亘ったが、炉に供給される電力をルツボ側壁の観測さ
れる温度を３℃／時の割合で低下させるに必要な程度に
少なくし、一方熱交換器に送るヘリウムガスの流れ速度
を、同じく毎時０．２８ｍ″（１０ｃ、ｆ）の割合で、
さりに増大させた。

ルツボ側壁の温度が観測された最初の融点よりわずかに
高いだけの水準に落ちたとき、ルツボ内の実質上すべて
の液体が凝固した。

はんのわずかに残った液体は非常に薄く不連続のメニス
カスであり、ボウル頂部より四方に流れ出た。

メニスカスは、ルツボ側壁温度が最初の融点よりわずか
に低くなるまで、その温度を下げつづけることにより、
凝固した。

凝固が完結した後に、熱交換器へのヘリウムガスの流れ
を２．８３ｍ’／ｈ（１００ｃ、ｆ、ｈ）の割合で減少
させた。

同時に、炉電力も、熱交換器へのヘリウムガス流れを停
止したとき、ルツボ側壁の観測された温度が最初の融点
より約５０℃低いようになるような割合で減少させた。

次いで炉はこの湿度に２時間保持し、その後炉に供給す
る電力を、室温に至るまで、約り０℃／時の割合で再び
減少させた。

そして、炉を開放し、ルツボおよびボウルを取り出した
。

実施例 ■ 単結晶サファイヤを種結晶を使わずに成長させた。

実施例■の方法によったが、次の点で変更を加えた。

（ａ） Ｖｅｒｎｅｕｉｌサファイヤの破砕小片に代
えて焼結アルミナペレットを使った。

（ｂ） 種結晶の代わりに、狭い上部開口部を備えた
モリブデン製ワッシャーをルツボ底部の中心に置いた。

（ｃ） 熱交換器は、最初の融点より５０℃高くルツ
ボが過熱されるまでは、始動させなかった。

（ｄ） 熱交換器は次いで１．４２ ｍ”／ ｈ （
５０ｃ、ｆ、ｈ ）の流れ速度で始動させた。

実施例 ■ 金属（ゲルマニウム）単結晶を成長させるため、高純度
黒鉛ルツボの内側を非常に平滑に切削加工した。

ゲルマニウムは液体よりも固体であるほうが軽いため、
ルツボの内側中心底部は、種結晶を熱交換器上に固定し
ておき、ゲルマニウムが溶解したとき種結晶が浮き上が
ってしまわないように形作られた。

金属の薄いウェハーを熱交換器の頂部に置き、種結晶お
よびゲルマニウム小片をルツボ内に入れ、そしてルツボ
は炉内に入れた。

次いで、炉を閉じ、実施例■におけるように、融点より
５０℃高い湿度に加熱した。

結晶成長は実施例■におけるごとくして行なったが、ヘ
リウムガスの熱交換器への流れ速度は約０．１４７７１
″／ｈ（５ｃ、ｆ、ｈ）とより小さな割合で増加させた
。

ゲルマニウムの熱伝導性および拡散性がサファイヤより
もはるかに大きいためである。

熱交換器へのヘリウムガスの流れおよび加熱体２６への
電力入力量は、熱交換器および炉の温度低下の割合が、
それぞれ５００Ｃ／時および５℃／時を越えないように
共に変化させた。

実施例 ■ いわゆる３１５化合物の単結晶を成長させることはしば
しば望ましいことである。

ここに丁化合物とは元素の周期表の３族と５族の元素か
らなる化合物であって例えば半導体に多く使用されるＩ
ｎＳｂ 、ＧａＡｓ などを指す。

成長させるのが最も難しいものの１つは、ガリウムホス
ファイトであり、これはその融点において非常に不安定
である。

分解を防止するために、３５気圧という不活性ガス圧力
およびＢ２Ｏ３の液体包囲体が必要となる。

高い圧力が要求されるために、第１〜２図に示す装置は
多少変更された。

加熱体および熱交換器は黒鉛製高圧抵抗炉に入れた。

のぞき大組立体７０．７１の代わりに、白金／白金ロジ
ウム熱電対を底部近くのルツボ壁に設け、炉の加熱帯域
の中心にくるようにした。

熱交換器３２は高圧に耐えるように壁を厚くした。

ガリウムホスファイトの種結晶を石英ルツボの底部に接
触させ、ルツボには実施例■によるサファイヤの装入方
法と同様の方法でガリウムホスファイト小片を詰め込む
と共にＢ２Ｏ３包囲体をルツボ入に入れた。

装置全体は区画した室に入れ、熱電対線および制御用導
線はリモートコントロール室にまでもってきた。

視覚による観察は必要でないから、遠隔ＴＶ（テレビの
こと）監視は必要とされない。

ルツボ内の物質は溶解し、続いて実施例■のように凝固
した。

炉および熱交換器の塩度低下割合はそれぞれ１０°Ｃ／
時および７５°Ｃ／時を越えないように制御した。

実施例 ■ 化学量論的なＭｇＡｌ２Ｏ４のスピネル型単結晶を融体
から成長させた。

直径２．５ｃｒｒＬの単結晶板を種結晶として使用した
。

モリブデン製ルツボには高純度アルミナ砕片および高純
度マグネシアチップの正確な割合の混合物を詰め込んだ
。

ルツボおよびその内容物を０．２２ Ｔｏｒｒの真空中
で１５００℃に加熱した。

次いで、炉を０．３気圧だけ高い圧力の不活性ガスで満
たした。

この過剰圧力は、実施例Ｉのようにして行なった。

結晶成長処理期間を通して維持した。

実施例 ■ 実施例Ｉにおける如く種結晶をルツボ内に置いた。

モリブデン製スクリーンおよびモリブデン板を種結晶と
反対側に炉内に垂直に置いた。

上記板は全体的に半径方向に伸びており、上記スクリー
ンは上記板に総体的に直角に伸びている。

次いで、ルツボには、サファイヤの破砕小片を詰め込み
、そして実施例■のように結晶成長を行なった。

サファイヤは結晶配位を変えることなくスクリーンを通
って成長した。

シートおよびサファイヤ結晶の間には良好な接合が行な
われているため、結晶配位の断絶あるいは変化などはな
かった。

その他の具体化例および実施例も特許請求の範囲で規定
する本発明の範囲内にλるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、多生模型的であるが、本発明を実施するため
の装置の平面図である。 第２図は、第１図の装置の１部を部分的に断面で示す斜
視図である。 第３ａないし３部図は、本発明に係る第１図および第２
図に示す方法（装置）を用いた大きな単結晶成長法の各
段階を示す略式説明図である。 １０・・・・・・真空炉、１４・・・・・・加熱室、２
６・・・・・・加熱体、３２・・・・・・熱交換器、３
６・・・・・・ロッドセグメント、３８・・・・・・熱
交換器頂部、４８・・・・・・ルツボ、４９・・・・・
・ルツボ底部、１００・・・・・・種結晶、１０２・・
・・・・液体、１０４・・・・・・凝固結晶ボウル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ルツボ内に材料を装入し、該材料の融点以上にルツ
   ボを加熱し、次いでルツボの底部中心部から熱を奪い溶
   融材料を凝固させる工程から成る単結晶成長法において
   ； ルツボ内の材料に接している少なくともルツボの側壁部
   の湿度を該材料の融点より高く維持し、同時に前記底部
   塩度を前記材料の融点以下に下げ、 前記側壁部の湿度を、ルツボ内の前記材料の実質上すべ
   てが潔固しでしまうまで、前記融点より高い塩度に維持
   しておくこと、 を特徴とする単結晶成長法。