JPS62167284A - ブリツジマン法による単結晶の製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明はブリッジマン法による単結晶フェライト等の単
結晶の製造方法及び装置に係り、特に結晶棒周辺に生ず
るバウンダリ或は双晶の発生を防止し、純粋な単結晶を
製造し得る装置及びこの装置を用いた単結晶の製造方法
に関するものである。

（口１　従来の技術 ＶＴＲ用等の磁気ヘッドに使用するマンガン亜鉛フェラ
イト単結晶はブリッジマン法で製造されることが多い。

このブリッジマン法は所定の温度分布を有する炉内で原
料となる焼結物質を仕込んだ坩堝を所定の緩やかな速度
で移送させ、坩堝内の種子結晶を育成させるものである
が、炉内の温度分布に滑らかさがないと希望する結晶方
位を有する単結晶を均一に製造することが難しい。炉内
で坩堝を移送させるための坩堝の支持方法は、炉の下部
から耐熱性の再結晶アルミナ管（坩堝受は具）を炉内に
挿入しその上に高温で化学的に安定している白金又は白
金ロジウム等の金属製の坩堝を置いて支持する方法、或
いは炉の上部から坩堝に白金ロジウムの吊線をつけて上
部から炉内に吊す方法が用いられている。

以下まず前者の方法に関する公知例である実願昭５７年
３４２１９号に開示の装置について説明する。第７図は
従来の坩堝受は具を用いる電気炉の模型図を示すもので
ある。図において、（１）はアルミナ製の炉芯管、（２
）はこの炉芯管内をよもしくは下方向に定速移送される
白金部の坩堝、（３）は坩堝受は具である。前記坩堝（
２）は下部が漏斗状に形成されている円筒状に構成され
ており、下端にさらに種子結晶を入れる橿パイプ（７）
を備えている。

この種パイプ（７）の下端は種子結晶の落下を防ぐため
封止されている。前記坩堝受は具（３）はアルミナ製の
筒体であり、頭部（３Ａ）の内径（８）を坩堝（２）の
外径（９）に比べて小さく構成されていて、坩堝の下部
（２人）を図示の如く筒体内に収容するようにしている
。この坩堝受は具（３）の下部は基台αＧに支持され、
この基台αＧは駆動機構（１１１によって坩堝受は具（
３）ひいては坩堝（２）を炉芯管（１）内で定速で上下
動させるようにしている。

ブリッジマン法において、炉芯管（１）内に外部気流を
付与しない場合には特に大容蓋の電気炉を使用すると、
坩堝表面の温度分布が滑らかになるので、育成される単
結晶の結晶方向を変える確率は小さく望ましいのである
が、Ｍｎ−Ｚｎフェライト単結晶を育成させる場合には
酸素分圧が低下するので一定の組成比のものを安定に製
造することが難しい欠点がある。そこで、従来例では炉
芯管（１）の下方から矢印Ｕで示す如く酸素ガスを付与
して組成比の安定なフェライトを得るようにしている。

ところでこの酸素ガスが坩堝（２）の下部に当たるとそ
の部分が部分的に冷やされ第８図中の一点鎖線Ｔ３で示
すような温度分布を呈するようになる。すなわち、第７
図及び第８図図中のＡ点とＢ点の間が冷たい酸素ガスに
よって熱を奪われ、更に炉芯管（１）の内面と平行でな
い漏斗状部（２Ａ）外面での異方向への熱輻射によって
炉芯管との間の相互輻射による熱効率向上効果が得られ
ず、Ａ−Ｂ点間で急激な温度分布の落込みＤを余儀なく
される。（第８図一点鎖線の温度分布Ｔ３参照）又Ｂ点
と０点の間は坩堝受は具（３）で保温されるので、Ｂ点
付近で屈折点を有する滑らかでない温度分布となる。従
って結晶育成過程で、Ｂ点の部分が部分的に過冷却とな
り、種の結晶方向とは違った別の結晶或いは双晶が発生
しやすくなる。

斬る点を考慮して結晶方向性と組成比の安定な結晶を育
成すべく外部から気流を付与してもそれによって坩堝表
面の温度分布の滑らかさが擾乱され難い坩堝受は具すな
わち、下部が円錐状に形成されている筒状の坩堝を支持
するためこの円錐状下部を内接させる頭部を有する筒状
の坩堝受は具において、この頭部の下方域に配される坩
堝部分に対して気流を付与するためこの頭部の近傍に透
孔を設けた坩堝受は具を用いる方法も提案されている。

しかし乍らこの様な方法でも漏斗状部における相互輻射
の低減による熱効率の低下による坩堝内の温度分布の急
変はまぬがれ得ない。

又、第９図に示す如く、先端に種パイプ（７）を連結し
た漏斗状部（２人）を備える白金部の坩堝（２）を、炉
芯管中に白金線で吊り下げ所定の低速度で下降して坩堝
内に充填した焼結物質の単結晶化を計る方式では、前述
の方式に比して比較的小容量の電気炉を使用することも
あって、坩堝内の温度分布は＄８図実線の如く漏斗状部
（２人）と種パイプ（７）の付近で著しい谷ＩＶ）と山
（財）を形成する。このため、双晶が発生し易すく又結
晶種で設定した結晶方向に狂いを生じる等の欠点を生じ
る。父上記の温度分布斑の原因に加えて、不適当な育成
速度により相乗的に後述するサブバウンダリ、双晶が生
じる等の欠点を余儀なくされる。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 本発明は、特に種パイプと漏斗状部との間の温度分布の
不均一による双晶或いは結晶方向の狂いを防止するため
に、電気炉や芯管構造、容量等に大巾な変更を加えるこ
となく、比較的低コストで簡単な装置を使用し、双晶や
サブバウンダリの発生を防止し、完全な円筒状の単結晶
を得ることを目的とするものである。

に）問題点を解決するための手段 高温で化学的に安定している白金或いは白金ロジュウム
等の金属により形成され、円筒部と、その下方に連なる
漏斗状部及びその下方に連結する種パイプを備える坩堝
の前記種パイプ部の内側に、単結晶種収納室を仕切り、
熔融原料によるサブパウンダリの発生を防止する小内径
部を設けたブリッジマン法による単結晶製造装置とこの
装置を用いた単結晶の製造方法。

ｃ刊作　用 従来例における双晶若しくはサブバウンダリ発生の状態
は、第１０図（イ）（ロ）の如くなる。

即ち、種パイプ部（７）に単結晶種を詰め込み、その上
に原料ベレットを投入した状態で坩堝を電気炉内で下降
せしめると、熔融した原料ａ３の一部は単結晶種に付着
し結晶成長する前に種パイプ部（７）の単結晶種α２と
種パイプ部の内壁α勾との間の間隙に流入し単結晶種＠
と種パイプ部（７）によって冷却されて固化する。

その際、余程育成速度を正しく゛維持しないとこの固化
原料は単結晶種の方位に近い方位で単結晶種と競合し乍
ら成長してしまって双晶性結晶が出来てしまう。

しかし乍ら本発明装置では、種パイプ部（２３１（第１
図）に単結晶種収納室α印を仕切る内径径小部α９を設
けることにより共に上方に成長していく単結晶曽とその
周囲をとりまくサブバウンダリ…の内、後者は前記小内
径部によってその成長を妨げられるので小内径部から上
部には単結晶のみが成長する。従って、双晶の分離とい
う困難な作業は不要となる。

（ハ）実施例 以下第１図乃至第６図を参照しつつ本発明の実施例につ
いて説明する。第１図は本発明装置に用いる坩堝の要部
縦断面図を示すものである。白金或いは白金ロジュウム
の如く高温でも化学的に安定している金属で成型される
坩堝のは、円筒部（ハ）、漏斗状部は及び種パイプ部の
を備えている。前記種パイプ部コには単結晶種収納室α
印を仕切るために橋パイプ部のを極端に絞り込んだ部分
、即ち小内径部αｌが設けられている。この様な坩堝■
の単結晶収納室α印に、５ｆｌｌφＸ３ＱＭＭｌｌの単
結晶種を入れ、上記円筒部（５）及び漏斗状部（財）に
原料ペレッ）（Ｍｎ−Ｚｎフェライト）を投入した後に
、第２図に図示せる如き電気炉内の炉芯管（２１１内に
、白金線により吊し下げ、まず温度分布のピークのとこ
ろで、原料ベレットを熔かす。その後坩堝先端部を温度
勾配のゆるやかなところに降ろし、その後坩堝■を１〜
５％／時の超微速で下降して行く。

ｌト 当初熔融した原料ベレットは、内径径少部（１！Ｊを経
・＾ て単結晶種収納室α０内に流れ込み、いわゆる「原料だ
れ」現象を起こし、単結晶種−と種パイプ器内壁との間
にサブバウンダリ…を形成し、双晶を生じるが、両結晶
が共に上方（ど成長していくと、共に小内径部（１９）
の逆テープ部（ハ）に当るためにサブバウンダリはそれ
以上成長しなくなる。従って、小内径部ｕ９を越えると
単結晶のみが成長して行く。

実験によれば、双晶、サブバウンダリのない５０ｎφ×
１５０ｆｆの均一の棒状の単結晶〔成長方位＜１１０＞
’Ｉを得ることが出来た。次に他の実施例について説明
する。

第２図において（２１）は電気炉中に設けられる石英部
製或はアルミナ製の炉芯管である。この炉芯管の内部の
温度分布、即ち炉の温度分布は炉芯管（社）の長手方向
に沿って第４図一点鎖線（Ｔｏ）で図示せる如く設定さ
れる。

＠は白金製着しくは白金ロジュウム製の坩堝で、下方か
ら順に、種パイプに、漏斗状部は、筒状本体（社）を備
える一体構造体として構成される。αＳは内径径小部、
α旧よ単結晶種収納室である。実施例において、筒状本
体の直径り、は５０ｚ１長サバＬ１は１６５χ、種パイ
プの直径り雪は５Ｉ！Ｒ，長ざり、は１２０〜である。

第８、第９図の従来比較例と第２図の坩堝の相違は本考
案の場合円錐形状をした漏斗状部−の母線が曲線になっ
ており、炉芯管からの輻射熱を異方向に反射する部分Ｆ
の巾が比較例に比して著しく狭くなる点である。

この様な構成の坩堝を炉芯管ＣＤ中に吊架して、炉内の
温度分布がＴｏ、（一点鎖線）となる様に加熱すると、
坩堝内の温度分布は第４図Ｔ１（点線）の如くなって、
比較例の場合に不可避とされた坩堝内の温度分布曲線（
実線）上の山［Ｍｌと谷（Ｖ＋は解消され、温度分布の
急変のないフェライトの加熱が可能となる。これは領域
Ｆの部分の巾が狭いので、高温の筒状本体器からの熱伝
導によって、谷（Ｖ１部の温度が持上げられるためと考
えられる。

温度分布に斑が少くなることと相俟って製造される単結
晶の純度は更に向上する。

第３図の実施例では、坩堝器の漏斗状部の形状を第２図
と異にしている。即ち、漏斗状部−の筒状本体側内では
その径が漸減する構成とし、種パイプ側（Ｙｌではその
径が種パイプのの径り、に漸減し乍ら近づいて行き最終
的に一致する構成を採っている。

従って前記ＸやＹの近傍では輻射熱は略入射方向に反射
されるので炉芯管との間で相互輻射が実現される。そし
て、輻射熱を入射方向と異る方向に反射してしまう領域
Ｆは従来例（比較例）に比して著しく狭い。前記領域或
は巾Ｆでは、炉芯管との相互輻射効果が著しく低下する
ので、その分温度が低下する筈であるが、領域Ｆの巾が
著しく短いので、筒状本体側の高熱が熱伝導され、領域
Ｆの部分の著しい温度降下を阻止し、結果として坩堝内
の温度分布は第４図の如く改良される。

次に咀に第３実施例について第５図を参照しつつ説明す
る。

この実施例において、坩堝の構造自体は第２図の実施例
と同じであるからその符号及び説明を用する。

第５図に詔いて、０ηはアルミナタンマン管を可とする
耐熱管で、その底部中央には前記坩堝の種パイプのを通
す挿通孔（２）を備えており、内部には直径１．０〜５
．Ｏｚの中空アルミナバブル（至）を充填している。こ
の耐熱管（ロ）は白金若しくは白金ロジニウム製の線若
しくは固定具により第５図に示す如く＠の漏斗状部（至
）及び種パイプ器の一部を被覆する様に固定される。

上記坩堝自体は、上部の懸架具■を白金若しくは白金ロ
ジュウム製のワイヤーによって減速機（図示せず）に連
結され、吊架したま＼低速で下降操作される様になって
いる。

大径のアルミナバブルは広い目の充填間隙を形成し、そ
れ自体も中空部の容積が大きいので熱を吸収する効果が
大きく、小径のアルミナバブルは狭い目の充填間隙を形
成し、それ自体の中空部の容積が小さいので熱を吸収す
る効果は小さい。

この様な事実を利用して、第４図に詔いて温度ピーク（
財）が位置する漏斗状部（２ａの直下の種パイプのを囲
む部分に大径５ｚのアルミナバブルを配置すると共に、
漏斗状部−の中央部、即ち温度分布の谷（Ｖ）に当る部
分を小径のアルミナバブルで包囲する様に構成して、温
度分布をよりなだらかなものとする。

上述の構成の坩堝を使用し、単結晶フェライトを製造す
るに当っては、まず種パイプのの先端の収納室αＳ中に
ＭｎＺｎフェライトの所望の結晶方向を持つ単結晶フェ
ライトを充填すると共に、その上にＭｎＺｎフェライト
の焼結体を仕込んで、駆動装置により減速機構を介して
坩堝■を炉芯管■の上方から低速下降〔１〜５χ／時〕
させる。

炉は図示位置において坩堝表面の温度分布が第４図一点
鎖線Ｔｏの如くなるように発熱体（図示省略）をコント
ロールしている。この位置は坩堝＠の下端（パイプの上
端）付近に配置した熱電対（図示省略）によって種パイ
プ上端部の温度（原料の結晶化温度例えば１６２０℃）
を検出して知ることができる。この位置において坩堝器
内の原料は全て熔融しており、駆動装置によって坩堝を
所定のスピードで降下させることによりパイプの内の種
の結晶の結晶方位に従う結晶が育成される。

この育成過程で、必要に応じて下方から酸素ガスを流入
させる。

この単結晶生成の過程において耐熱管Ｃ３１）で囲まれ
た部分では、耐熱管６υと炉芯管（２υとの間の相互熱
輻射によって熱伝達効率が向上することと、径の異るア
ルミナバブル（至）の伝達効率の差による熱吸収効果の
差によって、坩堝内の温度分布を第４図点線図示の如く
、双晶や種結晶の方向と異る結晶方向をもつ単結晶が生
成し難いなだらかな分布とすることができる。そして内
径径少部α９の構造と相俟って、サブバウンダリの発生
を完全に防止できる。

次に異る実施態様を示す第６図（第４実施例）について
説明する。この実施例も基本的には吊架方式の装置に適
用するので、第５図の実施例と同−若しくは類似の構成
要素には同じ図番を付してその説明を援用する。第４実
施例と第３実施例との相違は、種パイプのを先細としそ
の基部、即ち漏斗状部（財）の底部（至）との連結部の
径を大きくしたこと、及び耐熱管Ｃ１，）を逆円錐台状
に形成して、上端部で坩堝の漏斗状部ｅ１４１の上部を
越えて一部筒状本体（５）に至る部分まで包囲する様に
構成した点である。

この様な構成と異径のアルミナバブル群の分布を工夫す
ることによって坩堝内の温度分布をよりなだらかなもの
とすることが出来、上記坩堝の構造と相俟って純粋な単
結晶が形成される。

（ト）効　果 本発明に依れば坩堝の種パイプ部に一部加工を施すだけ
で電気炉や炉芯管の構造容量等に何等大巾な変更を加え
ることなく、比較的低コストで簡単な装置によって、双
晶やサブバウンダリの発生を防止し、完全な棒状の単結
晶を得ることが出来るので、従来手間がか＼リコスト高
の要因となっていた双晶或はサブバウンダリの除去とい
う作業が不要となり、結晶度の高い廉価な単結晶を得る
ことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明方法に係り、第１図は単結晶
育成工程中の坩堝の縦断面図、第２図は第２実施例の一
部破断斜視図、第３図は第３実施例の斜視図、第４図は
坩堝内の温度分布を示す図、第５図は第３実施例の処理
工程中の状態を示す一部断面側面図、第６図は第４実施
例の一部断面側面図である。第７図乃至第１０図は従来
例に係り、第７図は一従来例の一部破断斜視図、第８図
は坩堝内の温度分布図、第９図は他の従来例の坩堝の斜
視図、第１０図（イ）は単結晶育成中の坩堝の要部縦断
面図、同（口１は種パイプ部分の横断面図である。 ＠・・・坩堝、αＦ・・小内径部、は・・・漏斗状部、
（社）・・・炉芯管、■・・・種パイプ部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高温で化学的に安定している白金ロジウム等の金
   属により形成され、円筒部と、その下方に連なる漏斗状
   部及びその下方に連結する種パイプを備える坩堝の前記
   種パイプ部に、単結晶種収納室を仕切り、熔融原料によ
   るサブバウンダリの発生を防止するための小内径部を設
   けたことを特徴とするブリッジマン法による単結晶の製
   造装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の坩堝を用いることを
   特徴とするブリッジマン法による単結晶の製造方法。