(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を入れたるつぼを加熱して融液とし、その融液に種結晶の下端を接触させ、種結晶を引き上げながら単結晶を育成する際に、引上軸を、単結晶のｂ軸（［０１０］軸）からの傾きの角度が３０°以上、かつｃ軸（［００１］軸）からの傾きの角度が２５°以上の方向として希土類珪酸塩単結晶を育成し、該希土類珪酸塩単結晶の側面を（００１）−１７°面から傾けて円筒研削した後、更に両端面を（００１）−１７°面から傾けて鏡面研磨することを特徴とする、円柱状希土類珪酸塩単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類珪酸塩単結晶の育成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
珪酸ガドリニウム単結晶等の希土類珪酸塩単結晶は、シンチレータ、蛍光体等として広く用いられている。この単結晶系に属する珪酸ガドリニウム単結晶等は、原料融液からチョクラルスキー法によって作ることができる。すなわち、原料を入れたるつぼを加熱して融液とし、るつぼ内の融液に種結晶を接触させ、種結晶を引き上げることにより、種結晶に更に単結晶を成長させることにより製造された。また、シンチレータ等として用いられる場合には、一般に円柱あるいは直方体の形状に加工して使用される。実際には更に、１面〜全面を鏡面研磨し、鏡面研磨を施した１面を除いて反射材を塗布あるいは巻き付けた状態で、反射材の無い面を光電子増倍管に密着させて使用される。しかしながら、この単斜晶系に属する珪酸ガドリニウム単結晶等は、ａ面（（１００）面）にへき開性があり、またｂ軸（［０１０］軸）方向の熱膨張係数が他の方向に比べ方向に比べ大きいという異方性があるために、結晶育成冷却中に（１００）面及び（０１０）面に沿って割れ易く、加工中にも新たな割れが発生し易い。割れのない希土類珪酸塩単結晶を育成する方法として、引上軸を単結晶のｂ軸（［０１０］軸）またはその近傍（ｂ軸からの傾きの角度が０〜３０°）とする方法（特許文献１参照）、及び引上軸を（１００）面に平行でかつ、ｃ軸（［００１］軸）からの傾きの角度が０°〜２５°の方向とする方法（特許文献２参照）が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平３−８０１８３号公報
【特許文献２】特開平４−１７５２９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これら従来法では、希土類珪酸塩単結晶の育成冷却中あるいは加工時に依然割れが発生する問題がある。すなわち、引上軸を［０１０］軸またはその近傍とした場合には、育成冷却中に種結晶や育成結晶の途中に割れが発生し、結晶が落下してしまう。更に、この方向に育成した結晶から長い円柱形試料を採取する場合には、育成結晶の長さ方向に（円柱の軸方向を引上軸方向にして）試料を採取するが、この場合側面の円筒研削時に割れが発生し易く、歩留りが低下する問題がある。一方、引上軸を［００１］軸またはその近傍とした場合には、育成結晶から試料を採取、加工する際に、引上方向に垂直な面を研磨する時にへき開割れが発生してしまう。この試料面の割れを防止するためには、引上軸方向に対し試料の中心軸を十分傾けて試料を採取する必要があり、試料採取の歩留りが低下し作業も面倒になるという問題がある。本発明は、引上軸方向を選択することにより、育成中に割れが発生することがなく、かつ育成結晶の側面及び断面（引上方向に垂直な面）の加工時に割れが発生しにくいため、結晶育成及び試料採取が容易な単結晶が得られる希土類珪酸塩単結晶の育成方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明者らは、原料を入れたるつぼを加熱して融液とし、その融液に種結晶の下端を接触させ、種結晶を引き上げながら単結晶を育成する希土類珪酸塩単結晶の育成において、引上軸の方位による育成中及び加工時の割れの発生し易さについて検討した。その結果、引上軸を単結晶のｂ軸（［０１０］軸）とｃ軸（［００１］軸）の間のある範囲（ｂ軸からの傾きの角度が３０°以上、かつｃ軸からの角度が２５°以上）で、かつ（１００）面との傾きの角度が０〜２５°の方向にすることにより、育成中及び加工時の割れを防止することができることを見いだすことによって、本発明は成されたものである。
【０００６】
即ち本発明は、原料を入れたるつぼを加熱して融液とし、その融液に種結晶の下端を接触させ、種結晶を引き上げながら単結晶を育成する際に、引上軸を、単結晶のｂ軸（［０１０］軸）からの傾きの角度が３０°以上、かつｃ軸（［００１］軸）からの傾きの角度が２５°以上の方向として希土類珪酸塩単結晶を育成し、該希土類珪酸塩単結晶の側面を（００１）−１７°面から傾けて円筒研削した後、更に両端面を（００１）−１７°面から傾けて鏡面研磨することを特徴とする円柱状希土類珪酸塩単結晶の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の育成方法により、結晶の育成・冷却中に割れの発生しない、かつ加工の円筒研削時や研磨時に割れが発生しない、育成及び加工が容易な希土類珪酸塩単結晶を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
原料を入れたるつぼを加熱して融液とし、その融液に種結晶の下端を接触させ、種結晶を引き上げながら単結晶を育成する希土類珪酸塩単結晶の育成において、引上軸を単結晶のｂ軸（［０１０］軸）とｃ軸（［００１］軸）の間のある範囲で、かつ（１００）面との傾きの角度が０〜２５°の方向にすることにより、育成中及び加工時の割れを防止することができる原因は次のように考えられる。希土類珪酸塩単結晶の材料力学特性を調べた結果、［００１］軸方向の熱膨張係数が他の方向よりも大きいことがわかっている。そのため、引上軸を［０１０］軸またはその近傍とした場合には、この［０１０］軸方向が温度勾配の大きい方向になるために、熱応力により育成中に種結晶や育成結晶の途中に割れが発生し、結晶が落下してしまうと考えられる。そこで、結晶の落下を防止するためには、引上軸の［０１０］軸からの傾きをある角度以上にすればよい。また、希土類珪酸塩単結晶には、へき開面（（１００）面）に垂直方向から荷重し、［００１］軸方向に引っ張りの応力が作用する場合に塑性変形が発生すること、そして、へき開割れ方向の破壊靱性値は（０１０）面よりも（００１）−１７°面（［００１］軸を法線方向とする面）の方が約１桁小さく、へき開割れは（０１０）面側からよりも（００１）−１７°面側から非常に発生し易いことが今回新たにわかった。これらのへき開面に関する異方性のある特性から、［０１０］軸近傍を引上軸とした結晶から長さ方向に長い円柱状試料を採取する場合には、（００１）−１７°面に近い面（傾きの小さい面）が側面になるために、へき開割れ及びへき開面の剥がれが発生し易い。そこで、円筒研削時の側面の割れ及び剥がれを防止するためには、引上軸の［０１０］軸からの傾きをある角度以上にすればよい。
【０００９】
一方、同じくへき開割れの破壊靱性値の異方性により、引上軸を［００１］軸近傍とした場合には、（００１）−１７°面に近い面（傾きの小さい面）が引上方向に垂直になるために、加工に便利なこの面で切断し試料を採取すると、この面を研磨する時にへき開割れが発生してしまう。そこで、引上軸に垂直な面で試料を採取しても、研磨する際に割れが入らないようにするためには、すなわち、試料採取に便利な（歩留りも良い）結晶方向の育成結晶を得るためには、引上軸の［００１］軸からの傾きをある角度以上にすればよい。へき開性のある（１００）面と引上軸の関係については、引上軸を［００１］−１７°軸（（１００）面の法線方向）近傍とすると、［０１０］軸近傍とした場合と同様に、引上軸にほぼ垂直な面の割れによる結晶落下の問題が発生し、（０１０）面割れよりも発生し易いために、引上軸（１００）面に平行にした方向が最も結晶育成がし易い。しかし、引上軸との傾きの角度か０〜２５°までは結晶の育成が可能であり、結晶の加工にも支障の無い方向であるので、引上軸の方向として選択することができる。以上が、引上軸をｂ軸（［０１０］軸）からの傾きの角度が３０°以上、ｃ軸（［００１］軸）からの角度が２５°以上、かつ（１００）面との傾きの角度が０〜２５°の方向にすることにより、育成中及び加工時の割れを安定して防止できることの理由と考えられる。
【００１０】
珪酸ガドリニウム単結晶以外の、化１の一般式
［化１］
Ｒ２ＳｉＯ５
（但し、ＲはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｙ、Ｓｃから選ばれる１種以上の希土類元素）
で示される希土類珪酸塩単結晶についても、結晶の力学特性は同様であり、同様の結果となる。更に、これらの希土類珪酸塩単結晶にＣｅ等の希土類元素やＣｒ等の鉄属遷移金属をドープした場合も、効果は同様である。以上の希土類珪酸塩単結晶は、珪酸ガドリニウム単結晶の結晶構造と同じ結晶構造を持ち、その構造は空間群Ｐ２／ｃに属する。
【実施例】
【００１１】
（比較例１）
セリウム付活珪酸ガドリニウム単結晶（Ｃｅ：Ｇｄ２ＳｉＯ５）の場合の例を説明する。原料として、Ｇｄ２Ｏ３約３２６０ｇ、ＳｉＯ２約５４０ｇ、ＣｅＯ２約１０ｇをφ１００のＩｒるつぼ中に採り、φ５０×１８０ｍｍ３の結晶をチョクラルスキー法で育成した。種結晶の引上軸は［０１０］軸とし、引上速度は１〜３ｍｍ／ｈ、回転速度は３０〜５０ｒｐｍとした。育成の切り離し後、２０〜６０時間かけて室温まで結晶を冷却した。しかし、その途中で、結晶直胴部の上部で引上軸にほぼ垂直に割れが発生し、割れ発生位置から下の結晶部分が落下してしまった（図２）。このような結晶の落下は９０％以上の確率で発生した。直胴部とは、融液に種結晶の下端を接触させ種結晶を引き上げながら単結晶を育成する場合、種結晶から目的径まで結晶径を広げ目的径になった後育成される部分である。更に、育成結晶の割れのない部分から、φ４０×１２０ｍｍ３の試料の採取を試みた。育成結晶を引上軸に約１２０ｍｍの長さに切断した。その後、円筒研削機により側面の円筒研削を行いφ４０の円柱に加工したが、側面にへき開面（（１００）面）方向の割れ及び剥がれが発生してしまった（図３）。
【００１２】
（比較例２）
比較例１と同様にＧＳＯ単結晶をチョクラルスキー法で育成した。種結晶の引上軸は［００１］軸とし、引上速度は１〜３ｍｍ／ｈ、回転速度は３０〜５０ｒｐｍとした。育成の切り離し後、２０〜５０時間かけて室温まで結晶を冷却した。約５０％の確率で冷却途中に割れは発生せず、直胴部がφ５０×１８０ｍｍ３の単結晶が得られた。育成結晶から、φ４０×１３０ｍｍ３の試料の採取するために切断加工を行った。育成結晶を引上軸に垂直に約１３０ｍｍの長さに切断した。その後、円筒研削機により側面の円筒研削を行いφ４０の円柱に加工し、割れの無い側面を得ることができた。次に、鏡面研磨を行ったところ、側面は割れが発生すること無く研磨することができたが、両端面（底面）の研磨時には、へき開面（（１００）面）方向の割れが発生してしまった（図４）。
【００１３】
（実施例１）
比較例１と同様にＧＳＯ単結晶をチョクラルスキー法で育成した。種結晶の引上軸は、［０１０］軸からの傾きが６０°で［００１］軸からの傾きが３０°、かつ（１００）面に平行な方向とした。引上速度は１〜３ｍｍ／ｈ、回転速度は３０〜５０ｒｐｍとした。育成の切り離し後、２０〜６０時間かけて室温まで結晶を冷却した。約８０％の確率で冷却途中に割れは発生せず、直胴部がφ５０×１８０ｍｍ３の単結晶が得られた。育成結晶から、φ４０×１３０ｍｍ３の試料の採取するために切断加工を行った。育成結晶を引上軸に垂直に約１３０ｍｍの長さに切断した。その後、円筒研削機により側面の円筒研削を行いφ４０の円柱に加工し、割れの無い側面を得ることができた。次に、鏡面研磨を行ったところ、側面及び両端面（底面）とも割れが発生すること無く研磨することができた（図１）。
【００１４】
（実施例２）
比較例１と同様にＧＳＯ単結晶をチョクラルスキー法で育成した。種結晶の引上軸は、［０１０］軸からの傾きが６０°で［００１］軸からの傾きが３０°、かつ（１００）面との傾きの角度が２５°の方向とした。引上速度は１〜３ｍｍ／ｈ、回転速度は３０〜５０ｒｐｍとした。育成の切り離し後、２０〜６０時間かけて室温まで結晶を冷却した。約６０％の確率で冷却途中に割れは発生せず、直胴部がφ５０×１８０ｍｍ３の単結晶が得られた。育成結晶から、φ４０×１３０ｍｍ３の試料の採取するために切断加工を行った。育成結晶を引上軸に垂直に約１３０ｍｍの長さに切断した。その後、円筒研削機により側面の円筒研削を行いφ４０の円柱に加工し、割れの無い側面を得ることができた。次に鏡面研磨を行ったところ、側面及び両端面（底面）とも割れが発生すること無く研磨することができた。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１の育成において得られた育成結晶の斜視図。
【図２】比較例１の育成において得られた育成結晶の斜視図。
【図３】比較例１において加工した結晶の斜視図。
【図４】比較例１において加工した結晶の斜視図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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