JPS6018639B2 - 熱水結晶成長方法及び装置 - Google Patents

熱水結晶成長方法及び装置

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JPS6018639B2
JPS6018639B2 JP57013196A JP1319682A JPS6018639B2 JP S6018639 B2 JPS6018639 B2 JP S6018639B2 JP 57013196 A JP57013196 A JP 57013196A JP 1319682 A JP1319682 A JP 1319682A JP S6018639 B2 JPS6018639 B2 JP S6018639B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アルファーオルトリン酸アルミニウム及びア
ルファーオルトリン酸ガリウムの単結晶を成長させるた
めの方法及び装置に関する。
アルファーオルトリン酸アルミニウム(ベルリナィント
)及びアルファーオルトリン酸ガリウム(GaP04)
は、過去数十年間にわたり研究目的で合成されてきたア
ルファ一石英同形体の一部である。ベルリナイトの大な
る単結晶を成長させる試みは、周波数制御用途の新たな
ピェゾ電気性結晶を見出さんとして第二次大戦後に開始
された。石英結晶の成長に成功し、石英が当時知られて
いたピェゾ電気装置用として優れたものと考えられたの
で、このピロジェクトは数年後に終了した。特にベルリ
ナイトのQ及び結合係数(couplingcoeHi
cient)は石英より低いと結論された。更には、ベ
ルリナィト板のX及びY切断の両者で試験すると、温度
の上昇と共に負の周波数ドリフト(HequeMydr
ift)を示し、このため石英のAT切断に類似したゼ
ロ温度切断を見出す機会はほとんどないと考えられた。
ベルリナィトに対する関心が再度新たになったのは、1
97母王にバーシュ(滋rsch)及びシャン(Cha
ng)が、ベルリナィトに温度補償切断があること並び
に表面音波(suMaceaco瓜ticwave(S
AW))装置に対する結合係長が石英に対するものより
4倍も大なることを知見した時からである。
ベルリナィトの調整方法についてはその幾つかが技術文
献に報告されている。
(ダブリュー、ャーン(W.Jahn)他、Chem.
Erole第16巻75頁(1953年):ジェー、ェ
ム、スタンレィ(J.M.Sねnley)、lnd.E
ng.Chem.第46巻1684頁(1954年):
イー、ディー、コルプ(E.D.Kolb)他、J.C
びstaIGmwth第4鏡蓋313頁41978羊)
)一般に除熱除と温度勾配法の二法がある。代表的な方
法では、垂直オートクレープの底部近くに種結晶を懸垂
させ、頂部のカゴ内に養分(n山ri−ent)粉末を
懸垂させる。種及び養分は共に濃リン酸に浸潰される。
温度を約150℃から約19ぴ0まで、約2℃/日の割
合で上昇させる一変更方法もあり、オートクレープ内に
温度勾配を維持する別の変更方法もある。最近ロームエ
アーデイベロツプメントセンタ−(伍eRomeAir
DeuelopmentCenter)のドラフオー
ル(Drafall)とベルト(Beit)は、温度を
約14日間で約10oo上昇させながら、オートクレー
プ内に一定の温度勾配を維持する組合せ法を開発した。
しかしながら、彼等が製造した結晶の品質は、装置用途
向けとして満足できるものではなかつた。(RAOC‐
TR−80一73、Fi佃I TechnicalRe
P。比、198世王3月)本発明は、アルファーオルト
リン酸アルミニウム又はアルファーオルトリン酸ガリウ
ムを成長させる装置を提供するものである。
斯る装置は、‘aー 実質的に円筒状の壁からなる圧力
容器、‘bー 種結晶を該容器内に懸垂させるための手
段、‘cー 該容器を長軸に配置される複数個の通じた
室(comnunjcatingChamber)に分
割するための邪魔板手段、‘d} 該容器を円筒軸で実
質的に水平な配置に支持するための手段、‘e} 円筒
軸に直交する水平軸の囲りに該容器を揺動させるための
手段川 談容器内の温度を調節するための加熱手段を紙
合せてなる。
本発明は、アルファーオルトリン酸アルミニウム及びア
ルファーオルトリン酸ガリウムからなる群から選択され
るオルトリン酸金属塩の結晶を成長させる方法も提供す
る。
斯る方法は、{a’実質的に水平配置する圧力容器の第
一室にオルトリン酸金属塩の種結晶を懸垂し、その際前
記第一室は流体が流過させうる実質的に垂直の邪魔板で
少くとも1個の追加室から仕切られ、‘b} 該容器の
第二室にオルトリン酸金属塩の粗い結晶性粉末の一定量
を導入し、‘c} 該容器に濃リン酸を部分的に充填し
、【d’談容器を密封し、‘eー 種結晶温度が約13
5oo乃至210℃の範囲となり、粉温度がそれより約
5℃乃至30qo低い温度となるように該容器を加熱し
、‘f’ 先ず容器の一端を持ち揚げ、次にその他端を
持ち上げるようにして水平藤の園りに該容器を揺動しな
がら該容器内を前記温度に維持し、それにより種結晶が
オルトリン酸金属塩の酸溶液から成長し、【9 該容器
を室温近くまで冷却し、 ‘h’生成する単結晶を回収する 諸工程からなる。
本発明の方法及び装置の利点は、高収率、低費用、結果
の再現性及びスケールアップできることである。
得られる単結晶はSAW装置用途に供せるれる。第1図
は本発明の一装置の概要図である。
第2図は本発明の圧力容器及びジャケットの断面図であ
る。
第3図は全面装填した本発明装置の部分切開側面図であ
る。
第4図は本発明の種ハンガーを示すものである。
第5図は本発明の別態様の部分切開側面図である。
本発明は、ベルリナィト及びGaP04等のアルファ一
石英同形体の単結晶を調製する菱鷹を提供する。
便宜上、ベルリナィト結晶を成長させるための装置及び
方法を以下に記すが、特にことわりなに限りGap04
の調製も同様である。本発明の装置は、水平に配置され
実質的に円筒状である材料含有用の圧力容器;該容器を
加熱し、それを予定の温度勾配に維持するための手段;
円筒軸に直交する水平軸の因りに該容器を周期的に揺動
するための手段からなる。
圧力容器は濃リン酸を保持できるようなものであり、そ
の−室に1以上のベルリナィト種結晶を浸濃し、近接す
る1又は2室に狙いベルリナィト結晶粉末(すなわち養
分)を浸潰する。
(GaP04結晶を成長させるときは、勿論その材料の
種及び養分である。)該容器の壁は、成長過程が観察で
きるように透明であることが好ましい。溶融シリカは圧
力容器の好適材料である。火炎密封した管が適当である
が、取外し可能な密封部は使い易いこと、再使用可能な
こと及び漏れ又は爆発し難いことから好適である。原料
、製品の出し入れ及び容器洗浄の便宜上、各端部に取外
し可能な密封部を有する管が好適である。
各密封部はゴムガスケットからなり、フッ素ポリマー栓
と管の間に配置される。栓とガスケットは容器内の高温
、高圧及び腐食環境に抵抗性あるものが好ましい。PT
FEは適切なフッ素ポリマーであり、バィトン(Vit
on■)は適切なガスケツト材料である。容器は実質的
に垂直な邪魔板により各室に分離される。
邪魔板は室間の温度勾配の維持に役立つと同時に、液を
室間に流動させるものである。従って邪魔板材料は熱的
絶縁物であり且つ圧力容器内の腐食的環境及び高温に抵
抗性あるものが望ましい。PTFE等のフッ素系ポリマ
ーが好適である。実質的に円い円板でその周囲が該容器
の内部にゆるく当たるものが特に適切である。流体を通
過させるため、邪魔板には1以上の通し孔があり、その
断面積は邪魔板面積の約5−20%である。面積の約1
0%を占める邪魔板が好適である。孔が唯一の際には詰
まりが少くなる。孔の面積は、大きくすると温度勾配が
できにくなり、少さくすると室間の流体流動を制限する
ので、その中間的なものとなる。本発明方法の開始にあ
たって、容器の一室にベルリナィト種結晶を懸垂させる
種結晶は既知の方法、例えばクラウス(Kro雌s)他
(Z.Natw−幻rschung,3帆、28(19
75)の記載の方法により調製される。クラウス法によ
り調製される好適種結晶は、蓬が少くとも5柳の単結晶
である。複数の種結晶の使用が好適であり、それらの方
向及び配置は、成長速度を最大とし結晶欠陥を最4・と
し、且つ成長する結晶が容器壁と接触しないように選択
される。種結晶は、耐食材料製フレーム上に配置される
フッ素ポリマーの種ハンガーから懸垂される。
容器の壁を押して目からを支持する程度に十分なバネ弾
性の白金線の使用が良好である。種ハンガーはPTFE
シートから約1.5肌−4肋厚に製作するのが便利であ
る。白金線は各ハンガーの頂部にある孔を通り、種はそ
の底部にある2個の離れて位置する指でつかまれる。フ
ッ素ポリマーの種ハンガーは従来の種ハンガーよりも幾
つかの点で有利である。すなわち、種に穴をあげる必要
がなく、このためハンガ−の使用が簡単となり、種を損
う危険が減少し、種を支持する点近くでの歪を技4・と
する。更には、該ハンガーは製作が容易であり、ハンガ
ー上での核形成は減少する。粗いベルリナィト粉末すな
わち養分の調製法については、本出願人が本願と共に出
願した「結晶性粉末の熱水合成法及びその装置」なる出
願に開示及び請求されている。
該出願の開示を引用文献とする。養分の好適粒径は約2
0−60メッシュである。養分は、種結晶保持室に近接
する1以上の室へ導入される。
養分は、最4・径を除いた全てを保持しつつ液流の通過
を可能とするような、透過性の囲い内に閉じこめておく
ことが好ましい。斯る囲いとしては、フッ素ポリマーの
輪が好適である。95−126メッシュ範囲の開□部を
有するPTFE筋の使用が良好である。
養分の小径が結晶成長の道をたどらず、結晶に合体せぬ
ことは重要なことであり、容器を水平に配置するとこの
可能性は減少する。容器内への濃リン酸の導入量は、養
分及び種結晶を表面下に沈める量である。
電子材料級85%日3P04は商業的に入手可能であり
且つ適当である。最初の酸モル濃度は約5−創Mの範囲
が好適であり、7.9Mが最適である。(GaP04の
調製時には更に高い酸モル濃度、すなわち約8−laM
が好適であり、約lmけが最適である。)容器内への酸
の導入は、収量を最大にするためには、出来るだけ多量
であることが望ましいが、室温で容器の85%以上充填
すると約210qoでは全容器がそれで満されるように
なり過大な圧力が発生する。従って容器の充填率は85
%を超えないようにする方がよい。容器としては溶融シ
リカが好ましいが、容器内に高圧が発生すると潜在的に
危険となる。
従って容器の困りに保護ジャケットを配置しておくこと
が好ましい。鋼性のジャケットが適当であり、容器の約
9ふぐーセントを囲むように設計される。残りの関口域
は窓となる部分であり、容器内の過程の観察に便利な程
度の大きさに過ぎない。ジャケットの端部キャップは、
管の両端部でフッ素ポリマー栓を所定の場所に保持する
ためのものである。加熱手段は、既知加熱手段のいずれ
でもよい。
容器を昇溢し且つ容器内に温度勾配を設けるためには、
2個の独立調節の抵抗加熱帯を有する円筒炉が適当であ
る。温度は、例えば熱電対を用いて、容器の外部が測定
されるが、これは内温の近似値として適当である。温度
は各室の中央で調節され、各室内での変化は約±3℃以
内である。所望温度の約±1℃以内に温度を調節・維持
できるような通常の温度調節器が使用可能である。容器
が3室に分れている場合には、3帯炉が必要となる。容
器は、約135oo乃至210q0の範囲の種結晶温度
になるように加熱され、約17000が好適である。(
Gap04結晶成長の場合には、それより高温範囲であ
る約170−210こ○が好適であり、約185℃が最
適である。)温度勾配は、養分温度が種結晶温度の約5
℃乃至30qo低くなるように設定され、約10qo低
い設定が好適である。養分は130oo以上となる必要
があり、斯る条件下でベルリナィトは相変化し溶液組成
が変化する。成長結晶の温度が高すぎると、核形成が過
多となる。温度勾配が大さ過ぎると、核形成が過多とな
ると共に、成長結晶核が沸とうする。温度が低過ぎると
成長は非常に遅くなる。種結晶及び養分がリン酸に浸潰
され、温度が上昇し温度勾配ができると、種結晶は以下
の機構で成長を開始する。
ベルリナィトは逆行的溶解性を示すので、低温の養分が
溶液に入る。
種結晶の高温部ではベルルリナィトは過飽和となり、溶
液からでて種結晶上に沈糟するためそれらを成長させる
のである。この過程が進行するにつれ、第二室中の養分
は連続的に減少し、それに対応して種結晶は成長する。
ベルリナィトが豊富な溶液を種結晶の方へ流し、枯渇し
た溶液を養分の方へ流す流れを強化するため、円筒軸に
直交する水平軸の囲りに容器を揺動するのである。この
揺動は電動機駆動等周知の方法によりなされる。容器の
各端部は、約6乃至約180町酸の規則正しい間隔で上
下動する。好適間隔範囲は約10乃至3の砂間である。
容器の揺動時にも、養分及び成長結晶は表面下に蟹った
状態であることが好ましい。この目標は、前述の技大可
能充填を用いることにより:種結晶又は養分を容器の頂
部及び端部近くに配置しないようにして;容器の楊端部
と水平とのなす角が好ましくは45qo以下、更に好ま
しくは10こ0以下となるように揺動を制限することに
より達成される。温度及び温度勾配が適当な範囲内にあ
ると、前述の機構により且つ揺れ動作で加速されて、ベ
ルリナィト種結晶が溶液内で成長する。
約2週間後に結晶は使用可能な大きさになるが、更に大
なる結晶が好ましく、その際には少なくとも約1ケ月の
成長期間が必要である。結晶が所望の大きさに達したな
らば成長を停止する。或いは結晶が器墜と接触するよう
になったならば、又は養分がほぼ枯渇したならばその前
に停止する。結晶が溶解するので養分が枯渇するまで成
長を統けてはならない。ベルリナィトの逆行的溶解度の
ため、成長完結後の容器冷却時に結晶が溶液に入りがち
となる。
従って例えば容器に散水する等により、容器を室温近く
まで急速に冷却する。このようにすると約10‐1粉ご
以内に冷却され、その後溶液からの縞晶取出しが可能と
なる。それ以上の高速冷却を試みると、結晶がひび割れ
する危険がある。結晶を溶液から回収後、本発明の方法
いて成長した結晶を、通常のスライス機を用いてSAW
装贋用ウェハーに切出す。成長完結後の結晶を回収する
ためのもう一つの方法は、第二容器すなわち注入器(y
rin群ue−ssel)に関するものである。
注入器は、溶液を圧力容器に送入或いは圧力容器から吐
出させるための手段、例えば注入器内に配置されるピス
トン、及び両容器間の流れを調節するための1個以上の
高圧、耐食弁を包含する。好適実施態様に於ては、結晶
成長が完了すると注入器を圧力容器に接続し、熱溶液を
注入器に移動させる。その後圧力容器内の結晶を、ヒビ
が入らぬように徐々に冷却する。このようにしても結晶
は溶液にはもどらない。両容器の間に2個の弁を使用す
る場合には、1個の注入器を数個の圧力容器に用いるこ
とが可能となる。注入器は、本発明方法の開始時に系を
暖める際、種結晶の溶解を防止するためにも使用できる
。養分及び種を圧力容器内で加熱する際、酸を注入器内
で加熱するのである。所望温度に達したならば、熱酸を
注入器から圧力容器に移動させる。図面を引用して本発
明の装置を更に詳細に説明する。
装置の一要素が2以上の図面に現われる場合、その参照
番号は同一である。第1図は本発明の装置の概要を示す
ものである。
圧力容器は鋼製ジャケット内に閉じ込められており、ジ
ャケットは更に炉10で取囲まれている。結晶成長の進
行は、窓11を通して観察可能である。容器の二室の温
度は温度調節器12及び13により調節される。装置は
軸14の囲りを、アーム16を介して容器に接続される
電動機15により揺動される。電動機の速度は調節器1
7により調節される。第2図は本発明の圧力容器及びジ
ャケットの断面を示すものである。
圧力容器20は、例えば溶融シリカ等の透明な材料でで
きたものであり、ジャケット21は鋼製である。圧力容
器20は、ゴムの0ーリング22及びフッ素ポリマー栓
23により、その端部で密封される。栓23は、ジャケ
ット栓25のネジ切り端部キャップ24により、所定の
場所に保持される。圧力容器の2室は、通し孔27を有
する邪魔板26により分離されている。第3図は、養分
を養分袋30‘こ充填し、種結晶31を備えた装置の側
面切開図である。
種結晶31はハンガー32で支持されており、ハンガー
はフレーム33で懸垂されている。第4図は種ハンガー
を拡大して示した図である。
頂部の孔40‘まハンガーをフレームに支持するための
ものである。指41及び42は、種を損なうことなく或
いは種に孔を穿つ要はなく、種をつかむものである。第
5図は、注入器50を用いる本発明の一実施態様を示す
ものであり、注入器は結晶成長の開始前及びその完結後
に酸を保持するために使用される。
フッ素ポリマー栓51を夫々左及び右に動かすことによ
り、流体はシリコン容器50内へ或いはそこから輸送さ
れる。栓51は○ーリング52で注入器壁に対して密封
されており、ネジ切り榛53上に配置している。ジャケ
ット54と炉55は注入器を取囲み、酸を圧力容器に送
入する前にそれを加熱する。弁56及び57は容器間の
流れを調節し、接続部58により1個の注入器を数個の
圧力容器に用いることが可能となる。以下の実施例は、
本発明の一層完全な理解を提供せんがためのものである
本発明の原理と実際を説明するために記載した特定の技
術、条件、材料及び報告データは例示的なものであり、
本発明の範囲を制限するものと解されてはならない。実
施例 1水平に配置した長さ1肌×内径3弧の溶融シリ
カ圧力容器内で、ベルリナィトの単結晶を成長させた。
PTFE邪魔板で該容器を2個の通じた室に分割した。
一室には29固のベルリナイ種結晶(全て底面(000
1)板)を装填し、もう一つの室には粗いベルリナィト
結晶粉(45−60メッシュ)を装填した。日3P04
添加後の出発材料の容器占有率はほぼ85%であった。
次に該容器を密した。種結晶を保持する室を(室の中央
で)165℃に、養分を保持する室を(中央で)153
こ0に加熱した。該温度に維持し、容器を1の砂/回の
周期で揺動した。揺動の最端に於ける容器の長方向と水
平とのなす角度は5oであった。59日後「該容器に散
水して15分以内に室温近くまで冷却し、溶液から結晶
を回収した。
はじめ約1側厚の結晶が、18−27柳の範囲の厚みに
成長した。実施例 2 実施例1の装置を用い、その−室に1側厚のGap04
Y−板種結晶(1010)6個を装填し、もつ一つの室
に粗いGap04結晶粉(20−45メッシュ)を装填
した。
10MH3P04添加後の出発材料の容器占有率はほぼ
85%であった。
種結晶室の中央部の温度が1770、養分室の中央部の
温度が167o0となるように該密封容器を加熱し、こ
れらの温度55日間維持した。成長過程中は容器を揺動
し、そのあと実施例1に記載のように冷却した。10.
5肋厚みのGaP04結晶が回収された。
実施例 3 実施例1の容器を、2板のPTFE邪魔板で同じ大きさ
の3個の通じた室に分割した。
中央の室に、1肌厚のベルリナィト(回転Y(1010
)板)を8個装填した。2つの端室には粗いベルリナィ
結晶粉を装填した。リン酸(7.3の)を添加して容器
の充填率をほぼ85%にした。次に該容器を密封した。
三帯加熱器を用いて、種結晶室の中央部を169qoに
、2つの養分室の中央部を15200に加熱した。容器
の一端を持ち揚げて容器と水平とのなす角度を5oにし
た。2時間の間隔で容器の池端を持ち揚げて容器を揺動
した。
該温度に維持し64日間揺動後、容器に散水して15分
間以内に室温近くまで冷却し、溶液から結晶を回収した
。結晶は6一12肌の厚みに成長した。実施例 4 圧力を解く姿なく液を圧力容器に送入或いは圧力容器か
ら吐出するような注入器を、実施例1の装置に補足した
圧力容器に1側−厚みのベルリナィト(回転Y(101
0)板)9個と粗いベルリナィト結晶粉(25一45メ
ッシュ)を装填した。密封後、種結晶室の中央部の温度
が1670、養分室中央部が154℃となるように圧力
容器を加熱した。同時に、注入器に7.小伍3P04と
充填し165℃に加熱した。次に熱酸を注入器から圧力
容器に送入し、出発物質の圧力容器充填率をほぼ85%
にした。(養分室を冷却して温度勾配を2200に戻し
た。)実施例1に記載のように圧力容器を揺動させなが
ら、結晶温度及び養分温度を維持した、36日後、熱溶
液を注入器に送入し、圧力容器を数時間にわたって徐々
に冷却した。約4肋厚のベルリナィト結晶が回収された
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一装置の概要図である。 第2図は本発明の圧力容器及びジャケットの断面図であ
る。第3図は全面装填した本発明装置の部分切開側面図
である。第4図は本発明の種ハンガーを示すものである
。第5図は本発明の別態様の部分切開側面図である。毅
′図 象Z図 努3図 菟A図 努6図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 (a)実質的に水平に配置する圧力容器の第一室に
    オルトリン酸金属塩の種結晶を懸垂し、その際前記第一
    室は、流体を流過させうる実質的に垂直の邪魔板を少な
    くとも1個の追加室から仕切られ、(b)該容器の第二
    室にオルトリン酸金属塩の粗い結晶粉の一定量を導入し
    、(c)該容器の濃リン酸を部分的に充填し、(d)該
    容器を密封し、(e)種結晶温度が135℃乃至210
    ℃の範囲となり、粉温度がそれより5℃乃至30℃低い
    温度となるように該容器を加熱し、(f)先ず容器の一
    端を持ち揚げ、次にその他端を持ち揚げるようにして水
    平軸の囲りに該容器を揺動しながら該容器内を前記温度
    に維持し、それにより種結晶がオルトリン酸金属塩の酸
    溶液から成長し、(g)該容器を室温近くまで冷却し、 (h)生成する単結晶を回収すること の諸工程からなる、アルフアーオルトリン酸アルミニウ
    ム及びアルフアーオルトリン酸ガリウムからなる群から
    選択されるオルトリン酸金属塩の単結晶を成長させる方
    法。 2 オルトリン酸金属塩がオルトリン酸アルミニウムで
    ある、特許請求の範囲第1項に記載の方法。 3 酸のモル濃度が5乃至9Mの範囲にある、特許請求
    の範囲第2項に記載の方法。 4 6乃至1800秒の規則的間隔で容器の一端を上下
    させることにより揺動を行なう、特許請求の範囲第1項
    に記載の方法。 5 工程(e)の後、工程(f)の前に工程(c)を行
    なう、特許請求の範囲第1項に記載の方法。 6 工程(f)の後、工程(g)の前に、溶液除去工程
    を更に含包する、特許請求の範囲第1項に記載の方法。 7 (a)実質的に円筒状の壁からなる圧力容器、(b
    )種結晶を該容器を該容器内に懸垂するための手段、(
    c)該容器を、最軸方向に配置される複数個の通じた室
    に分割するための邪魔板手段、(d)該容器をその円筒
    軸で実質的に水平な配置に支持するための手段、(e)
    円筒軸に直交する水平軸の囲りに該容器を揺動させるた
    めの手段、(f)該容器内の温度を調節するための加熱
    手段、を組合せてなる、アルフアーオルトリン酸アルミ
    ニウム又はアルフアーオルトリン酸ガリウムの単結晶を
    成長させるための装置。 8 前記圧力容器が、各端部に取外し可能な密封部を有
    する管からなる、特許請求の範囲第7項に記載の装置。 9 種結晶を懸垂する手段が、耐食性フレーム及び種結
    晶をつかむようにしたフツ素ポリマーのハンガからなる
    、特許請求の範囲第7項に記載の装置。10 第二容器
    及び液を圧力容器と第二容器の間を移動させる手段を更
    に包含する、特許請求の範囲第7項に記載の装置。
JP57013196A 1981-01-30 1982-01-29 熱水結晶成長方法及び装置 Expired JPS6018639B2 (ja)

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