(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
融液を収容するルツボと、該融液を加熱する加熱手段と、前記ルツボ内の融液に種子結晶を接触させ、その種子結晶を引き上げて単結晶を製造する方法において、ルツボの上方に設置した円盤形の放射熱反射体を結晶引き上げに伴い上昇させる、単結晶の製造方法。
【請求項２】
単結晶は酸化物である請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
放射熱反射体を結晶引き上げ軸に固定することにより、結晶引き上げに伴い前記放射熱反射体を種子結晶と同じ速度で上昇させることを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
融液を収容するルツボと、該融液を加熱する加熱手段と、前記ルツボ内の融液に種子結晶を接触させその種子結晶を引き上げる手段とを備えた単結晶の製造装置において、結晶引き上げに伴い上昇させる手段を有する円盤形の放射熱反射体をルツボの上方に設けたことを特徴とする単結晶の製造装置。
【請求項５】
放射熱反射体を結晶引き上げ軸に固定することにより、結晶引き上げに伴い前記放射熱反射体を種子結晶と同じ速度で上昇させることを特徴とする請求項４に記載の製造装置。
【請求項６】
前記放射熱反射体の上昇させる手段は前記の種子結晶を引き上げる手段とは別個の手段である請求項４または５に記載の製造装置。
【請求項７】
放射熱反射体が耐熱性白金族金属単体及びその合金から選択されている請求項４ないし６のいずれかに記載の製造装置。
【請求項８】
該融液を加熱する加熱手段が誘導加熱手段であり、放射熱反射体が１つまたは複数のスリットを設けたことを特徴とする請求項４ないし７のいずれかに記載の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は単結晶、特に酸化物単結晶の製造に適した方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高周波加熱方式の単結晶引き上げ法により、ＬｉＮｂＯ3 やＬｉＴａＯ3 といった割れ易い単結晶を育成する場合、特公昭５６−２７４７６号、特公昭５７−５０７５６号等に示されているようなドーム状の放射熱反射体を使用していた。また結晶の長尺化に関しては特公昭６１−５４４０号、特公昭６１−２６５１９号、特公昭５８−２５０７８号等に示されているように、ルツボとコイルの相対位置を育成の進行に応じて変えて育成を行っていた。これらの技術は次に述べるように結晶育成に必要な温度勾配を適正に保つための技術である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特公昭５６−２７４７６号等のようにドーム状の放射熱反射体を用いた場合、結晶平行長（結晶引き上げ軸の方向の長さ）が１．０ｄ〜２．０ｄ（ｄは単結晶直径）以上に成長させると結晶外形の変形が発生し、それ以上に長い結晶育成が不可能であった。この欠点を補うために、特公昭６１−５４４０号等のようにルツボに対するコイルの相対位置を育成に応じて変える方法を用いた場合、育成条件が非常に複雑になり、条件設定のための労力が過大となる上、コイルに低速駆動系を設ける必要があった。
したがって、本発明の目的は、これらの欠点を解決して、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3などのクラックや曲がりの生じ易い酸化物系等の結晶の充分に長い単結晶を製造する方法及び装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記問題点を解決するために鋭意研究した結果、ドーム状の放射熱反射体の代わりに、放射熱反射体の位置を融液の残存量に依存して修正することを試みた結果、上記した方法では得られない長い単結晶が得られることを見出して本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の単結晶成長方法は、融液を収容するルツボと、該融液を加熱する加熱手段と、前記ルツボ内の融液に種子結晶を接触させ、その種子結晶を引き上げて単結晶を製造する方法において、ルツボの上方に設置した円盤形の放射熱反射体を結晶引き上げに伴い上昇させることを特徴とする。
本発明の単結晶製造装置は、融液を収容するルツボと、該融液を加熱する加熱手段と、前記ルツボ内の融液に種子結晶を接触させその種子結晶を引き上げる手段とを備えた単結晶の製造装置において、結晶引き上げに伴い上昇させる手段を有する円盤形の放射熱反射体をルツボの上方に設けたことを特徴とする。
以下に説明するように、本発明によると結晶引き上げ部の放射熱勾配が適正に保持できるので、変形やクラックの発生がない長い単結晶が生成できる。
【０００５】
【作用】
従来、結晶径の２倍以上の平行長を有する単結晶の成育が困難であった主な原因は、育成初期と後期の温度勾配が変化することであった。この点を図３を参照して説明すると、従来例１の曲線に示すように、育成初期において適正な育成条件に設定してある場合には、結晶の成長につれて融液の量が減少するに従い、融液直上の温度勾配は小さくなる。これは、融液の高さが低くなり、露出したルツボ周囲壁が反射板として作用して融液直上の温度勾配を小さくすることが原因である。特に加熱手段が誘導加熱の場合には融液の高さが低くなると、露出したルツボ周壁がアフターヒータとしても作用し融液直上の温度勾配を小さくすることが原因である。つまり、育成初期を適当な温度勾配に保つと結晶化が進むに従って温度勾配が小さくなり、育成後期には結晶化の際の凝固放射熱を充分に放散することができなくなり、結晶の曲がりとなって現れる。
また図３の従来例２の曲線のように、育成後期に結晶が曲がらない条件で育成すると、育成初期の温度勾配が大きくなり過ぎ、結晶にクラックが発生し、育成に適さなくなる。
【０００６】
そこで、本発明はこの問題を解決するために、ルツボの上方に放射熱反射体を配置し、これを結晶引き上げに伴い上昇させ、育成初期と後期の温度勾配差を小さくすることにより、図３の実施例の曲線のように、結晶育成の進行により融液の残量が減少しても、温度勾配が余り変化せず適正な成長条件を長時間保持でき、その結果長尺結晶を育成できるようにしたものである。すなわち、
１）育成初期には放射熱反射体が融液に非常に近い位置にあるため、放射熱反射体によって融液へ反射される放射熱放射が大きくなり、温度勾配を小さくする。
２）育成が進むと放射熱反射体は融液表面から離れ、融液付近の温度勾配には影響を与えない。
３）放射熱反射体が高温の融液側とホットゾーン上部との間を遮蔽するため、放射熱反射体より上部の放射熱の放散が良くなり、引き上げ軸を通しての放射熱伝導量が増大する。
このうち、上記１）の効果により、放射熱反射体がない場合では温度勾配が大き過ぎて育成に不適当なコイルとルツボの相対位置でも、放射熱反射体が融液上の温度勾配を育成に適当な範囲に保ち、また育成が進行し放射熱反射体が融液から遠のくに従って放射熱反射体の効果は小さくなり、育成に伴い温度勾配が小さくなる効果を相殺する。この結果融液量の変化に対して図３の実施例の曲線が示すような温度勾配を取ることになり、平行長の長い結晶を育成することが可能となる。
なお、育成初期の条件は、装置の形状、寸法、電力等の初期設定により図３のように結晶割れが生じない部分に設定できる。
【０００７】
放射熱反射体は結晶引き上げ軸とは別個の駆動系を設けてその引き上げ速度を制御しても良いが、結晶引き上げ軸に固定すると、結晶引き上げに伴い充分に大きい平行長の結晶が製造できる条件内で放射熱反射体を種子結晶と同じ速度で上昇させることができ、装置の機構を単純にすることができる。
また、ルツボを加熱する手段としては、高周波誘導加熱が一般的であるが、抵抗加熱によっても良い。
放射熱反射体は円盤形に構成した放射熱反射性の材料から製作する。この形状は対称性が高いので均等な加熱効果が得られる。
放射熱反射体の熱反射率は熱放射率が小さい材料ほど大きいので、育成温度での熱放射率が充分に小さく、化学的・物理的に安定な物質から選択することが望ましく、特にＰｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ等の耐熱性の白金族金属および白金族金属の合金が望ましい。例えば、ＬｉＮｂＯ3結晶の育成には白金族金属の単体または１ｗｔ％以下のジルコニア微粒子を含むＰｔ−ＺｒＯ2合金が使用できる。より高温度での育成が必要なＬｉＴａＯ3の場合にはＩｒまたはＰｔ−Ｒｈ系合金が使用できる。ここでいう白金族金属の合金とは、白金族金属同志の合金と、白金族金属と白金族以外の金属又は化合物からなる合金の両方が含まれる。
ルツボの加熱が高周波誘導加熱コイルを使用して行われる場合には、放射熱反射体が金属の場合には円盤部分に外周部から中心に向かって適当な長さのスリットを設けて発熱量を制御し、融液上の温度勾配を制御することが可能である。
【０００８】
【実施例】
次に本発明の実施例を詳しく説明する。
図２は本発明による単結晶の製造装置の一例を示す。図において、ルツボ２はその周りに充填された断熱材６により絶縁されており、ルツボ２の上部には上記の熱反射性金属等から構成される円筒形熱反射板１０で裏打ちしたカップ状の耐火物円筒１１が配置され、その頂部壁１３には中心開口が設けてあり、下端に種子結晶５を取りつけた結晶引き上げ軸７が図示しない動力源から垂直に延びてこの開口を貫通している。引き上げ軸７には円盤形の熱反射体９が水平に固定されている。断熱材６および耐火物円筒１１の周りには、頂部壁１４に結晶引き上げ軸７が貫通する開口を有する耐火物ハウジング８が配置されている。耐火物ハウジング８の周壁には高周波誘導コイル１が巻かれており、高周波電流を流した時にルツボ内に収容されている結晶原料の融液を加熱して所定温度に維持する。
【０００９】
図４は本発明による単結晶の製造装置の他の一例を示す。図において、ルツボ２２はその側壁および底壁を円筒状の耐火物壁３０および耐火物支柱３１により支持絶縁されており、ルツボ２２の周りには円筒状の発熱体２１が配置されている。発熱体の周囲には更に断熱材２６を充填した絶縁ハウジング２８が配置され、その底部は耐火物支持体により支持されている。また絶縁ハウジング２８の頂部壁中央には開口３３が形成され、下端に種子結晶を取りつけた結晶引き上げ軸２７が図示しない動力源から延びてこの開口を貫通している。引き上げ軸２７には熱反射体２９が固定されている。
【００１０】
次に、図１を参照して本発明で使用する熱反射体９、２９について説明する。
図１は図２または図４に示した実施例に使用できる円盤形の熱反射体を例示する。上述の金属から形成した円盤４０はカラー４３に固定されており、カラー４３は引き上げ軸７または２７に嵌合する内孔を有し、固定ピン４１により引き上げ軸の適正な位置に固定できるようになっている。熱源が図２のような誘導加熱型の場合には、適当な長さおよび数のスリット４４を切り込むことにより、発熱量を調整または抑制することができる。
【００１１】
次に、本発明を具体例によって説明する。
実施例１の高周波発振器として周波数４０ｋＨｚのものを用いた。図２において、直径１００ｍｍ、高さ１００ｍｍおよび厚さ１．５ｍｍの白金製ルツボ２にニオブ酸リチウム約２３００ｇを装入した。熱反射体９として白金製で直径６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、該周部から中心までのスリットが１本入ったものを使用した。種子結晶５としてＺ方向（垂直方向）ニオブ酸リチウム単結晶を用いて４ｍｍ／ｈｒの速度で引き上げたところ直径５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのニオブ酸リチウム単結晶が得られた。
比較のため、熱反射体９を使用しない他は上記と同じ条件で結晶育成を行ったところ、結晶の長さが１００ｍｍ以上になると曲がってしまい、長くすることはできなかった。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、結晶の引き上げに伴い、結晶の上部に設置した円盤形の放射熱反射体を上昇させることにより、従来育成が困難であった長尺結晶の育成が可能となり、生産性の向上とコストの削減が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明の単結晶製造方法に使用する熱反射体の実施例であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】    本発明の単結晶製造装置の一例を示す正面断面図である。
【図３】    本発明と従来の単結晶製造方法の作用を対比説明する図である。
【図４】    本発明の単結晶製造装置の他の例を示す正面断面図である。
【符号の説明】
１  高周波誘導コイル
２、２２  ルツボ
５  種子結晶
６、２６  断熱材
７、２７  引き上げ軸
８  耐火物ハウジング
９、２９  熱反射体
１０  円筒形熱反射板
１１  耐火物円筒
１３、１４  頂部壁
２１  発熱体
２８  絶縁ハウジング
３０  耐火物壁
３１  耐火物支柱
３３  開口
４０  円盤
４１  固定ピン
４３  カラー
４４  スリット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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