(57)【要約】【課題】電気光学効果を持つＫＴａxＮｂ1-xＯ3や高性能シンチレータであるＧｄ2Ｓｉ2Ｏ7を例とした、分解溶融する物質、つまり融液の組成と成長する結晶の組成が異なる物質の単結晶を体積の大きな坩堝を使用せず、また、原料供給による結晶品質の劣化を防いで長尺の結晶を成長させるという課題を有する。【解決方法】分解溶融する物質の単結晶成長において、結晶成長に伴う融液の組成変化を抑制するために、成長させた結晶の組成と同じ組成の原料を液滴にして供給する。【選択図】図１
2019006657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分解溶融する物質の単結晶成長に伴う融液組成の変化を抑制するために、成長した単結晶と同じ組成の原料を溶融して供給することを特徴とする単結晶成長方法。
【請求項２】
請求項１の単結晶成長方法において、
前記物質の単結晶の種結晶及び融液を坩堝に準備し、
前記種結晶から結晶成長を行い、成長した結晶の重量を推定し、
前記物質の単結晶と同じ組成の原料を溶融して坩堝に供給することを特徴とする単結晶成長方法。
【請求項３】
種結晶及び融液を設けるための坩堝と、
単結晶と同じ組成の原料を溶融して前記坩堝に供給する機構とを有することを特徴とする単結晶成長装置。
【請求項４】
供給する前記原料を溶融させる機構において、回転楕円体ミラーと光源とを備えたことを特徴とする請求項３に記載の単結晶成長装置。
【請求項５】
供給する前記原料を溶融させる機構において、誘導加熱又は抵抗加熱を用いることを特徴とした請求項３に記載の単結晶成長装置。
【請求項６】
供給する前記原料を溶融させる機構は、成長する結晶と同じ組成の粉末の焼結体を溶融して前記坩堝に供給することを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の単結晶成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は単結晶成長方法である垂直ブリッジマン法（ＶＢ）とＴｏｐ-ｓｅｅｄｅｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｇｒｏｗｔｈ (ＴＳＳＧ) により、分解溶融する物質の単結晶成長において、単結晶成長に伴って生じる融液の組成変化を抑制し、長尺の結晶を成長する方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気光学効果を持つＫＴａxＮｂ1-xＯ3（ＫＴＮ）はその効果を活かして、光制御デバイスに応用され実用化されている[非特許文献１−２]。
【０００３】
ＫＴＮの単結晶成長に関しては、ＫＴＮがＫＴａＯ3とＫＮｂＯ3の固溶体であり分解溶融するため、結晶成長のために仕込む原料の組成と成長する結晶の組成が異なり、更に残された融液の組成が変化する[非特許文献３]。この融液の組成変化を抑制するため、大容量の坩堝を使い、その容量よりも小さい体積に留めて結晶成長を行う方法があるほか、融液組成が変化しないように成長する結晶と同じ組成の原料を固体のまま直接溶液に供給する方法が提案されている[特許文献１]。
【０００４】
また、放射線、特にエックス線やガンマ線との相互作用によって発光し、その蛍光を利用して放射線の検出に用いる物質をシンチレータと呼ぶが、このシンチレータにおいても分解溶融する物質がある。Ｇｄ2Ｓｉ2Ｏ7は分解溶融するシンチレータの一例であるが、発光量が非常に大きく、その光が減衰する時間が数十ｎｓｅｃと短時間であること、室温から３００℃付近までその特性が変化しないことから、医療における診断装置や原油探索用途への展開が期待されている[非特許文献４−５、特許文献２]。このシンチレータの単結晶成長においても、結晶成長に伴う融液組成の変化を抑制するため、前述したものと同様の方法が提案されている[非特許文献６、特許文献３]。また、二重に坩堝を配置し結晶成長と共に原料を提供する方法が採用されていることもある[非特許文献７]。
【０００５】
以上、ＫＴＮとＧｄ2Ｓｉ2Ｏ7を例とした分解溶融する物質の単結晶を成長する際には、一般的にはＴＳＳＧやＶＢといった成長方法とその装置が用いられるが、前述したように、結晶成長に伴って変化する融液組成を可能な限り一定に保つことが、長尺で均一な組成の結晶を得るためには必要となる。この課題を解決するために結晶と同じ組成の原料棒、具体的には原料となる粉末の焼結体、あるいは、粉末を融液に直接供給する方法が提案されているわけであるが、この方法では融液の温度に対して、供給する原料が非常に低温であることから、融液の温度変化が生じること、供給した原料が溶融するまでに時間を要し、溶融する前に結晶に付着するなどして結晶の品質を劣化させることがある。
【０００６】
この問題を鑑みて、結晶成長装置内に反射板を設置し炉内温度によってこの反射板の温度を融液温度と等しくし、上記反射板に原料粉末を落下させ溶融させた後に結晶成長を行う坩堝内に供給する方法が提案されているが[特許文献４]、炉内の温度分布がほぼ均一であればこの方法により、課題の解決がなされる可能性があるが、炉内温度分布が不均一である場合、例えば結晶の成長方向の温度勾配が急峻である場合にはこの方法は適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２-４１２００号公報
【特許文献２】特開２００９‐７４０３９号公報
【特許文献３】特開２００８‐８１３６７号公報
【特許文献４】国際公開番号２００５／１２１４１６号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｙ.ｓａｓａｋｉ, Ｔ. Ｓａｋａｍｏｔｏ, Ｍ.      Ｕｅｎｏ, Ｓ. Ｔｏｙｏｄａ, Ｊ. Ｋｏｂａｙａｓｈｉ, Ｔ.         Ｓａｋａｍｏｔｏ, Ｍ. Ｆｕｊｉｍｏｔｏ, Ｓ. Ｙａｍａｇｉｓｈｉ, Ｍ. Ｙａｍａｄａ, ａｎｄ Ｓ.     Ｙａｇｉ： ＩＥＩＣ. Ｔｒａｎｓ. Ｅｌｅｃｔｒｏｎ. Ｅ９９−Ｃ, ２ Ｆｅｂ    (２０１６) ２５０−  ２５６
【非特許文献２】Ｔ. Ｉｍａｉ, Ｓ. Ｙａｇｉ, Ｓ. Ｔｏｙｏｄａ, Ｊ.           Ｍｉｙａｚｕ, Ｋ. Ｎａｇａｎｕｍａ, Ｓ. Ｋａｗａｍｕｒａ, Ｍ.   Ｓａｓａｕｒａ, ａｎｄ Ｋ. Ｆｕｊｉｕｒａ： Ａｐｐｌ. Ｏｐｔ     ｖｏｌ. ５１, ｎｏ. １０ / １ Ａｐｒ (２０１２) １５３２−      １５３９
【非特許文献３】Ｈ. Ｊ. Ｓｃｈｅｅｌ： Ｊ. Ｃｒｙｓｔａｌ.        Ｇｒｏｗｔｈ, ２８７, ２１４−２２３ (２００６)
【非特許文献４】Ｓ．Ｋａｗａｍｕｒａ，Ｊ．Ｈ．Ｋａｎｅｋｏ，Ｍ．                Ｈｉｇｕｃｈｉ，Ｔ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，Ｊ．Ｈａｒｕｎａ，Ｙ．        Ｙａｇｉ，Ｋ．   Ｓｕｓａ，Ｆ．Ｆｕｊｉｔａ，Ａ．Ｈｏｍｍａ, Ｓ.   Ｎｉｓｈｉｙａｍａ, Ｋ. Ｋｕｒａｓｈｉｇｅ, Ｈ.                 Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ, Ｍ. Ｆｕｒｕｓａｋａ, ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ.  Ｎｕｃｌ. Ｓｃｉ. ５４，１３８３−１３８６（２００７）
【非特許文献５】Ｙ. Ｔｓｕｂｏｔａ, Ｊ. Ｈ. Ｋａｎｅｋｏ, Ｍ.              Ｈｉｇｕｃｈｉ, Ｓ. Ｎｉｓｈｉｙａｍａ, ａｎｄ Ｈ.              Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ：Ａｐｐｌ.Ｐｈｓｙ.Ｅｘｐｒｅｓｓ, ８.        ０６２６０２ (２０１５)
【非特許文献６】Ｓ. Ｋａｗａｍｕｒａ, Ｍ. Ｈｉｇｕｃｈｉ, Ｊ.Ｈ.           Ｋａｎｅｋｏ, Ｓ. Ｎｉｓｈｉｙａｍａ, J. Ｈａｒｕｎａ, Ｓ.      Ｓａｅｋｉ, Ｓ. Ｕｅｄａ, Ｋ. Ｋｕｒａｓｈｉｇｅ, Ｈ.           Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ, Ｍ.Ｆｕｒｕｓａｋａ, Ｃｒｙｓｔａｌ ｇｒｏｗｔｈ ＆   ｄｅｓｉｇｎ, ９, １４７０−１４７３ (２００９)
【非特許文献７】Ｈｉｓａｓｈｉ Ｍａｔｓｕｍｕｒａ, Ｓｈｉｎｙａ            Ｗａｔａｎａｂｅ, Ｏｓａｍｕ Ｎａｋａｍｕｒａ, Ｔａｋｅｓｈｉ   Ｉｔｏ, Ｊ.Ｃｒｙｓｔａｌ. Ｇｒｏｗｔｈ,３０８ (２００７) ３４８−３５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり大容量の坩堝や二重坩堝、坩堝と同じ原料を用いた反射板を必要とせず、供給する原料による結晶品質の劣化を防ぎ、長尺で組成の均一な結晶成長を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
図１は、上記課題の解決する手段である単結晶成長装置の概略図である。単結晶成長装置は、ＶＢにより結晶成長を行う装置を示す図である。単結晶成長装置は原料棒を溶融する回転楕円体ミラーを一つ備えている。
【００１１】
単結晶成長装置の一部は一般的なＶＢ装置であるが、単結晶成長装置上部に原料供給機構を備えている。坩堝１０１を設置する台には坩堝の中心軸を中心として回転させる機構があり、坩堝を回転させることが可能で条件により、一方向のみに回転させる場合や２方向に交互に回転させる場合もあるが、回転をさせなくても良い。また、この坩堝台には熱電対（不図示）が坩堝に接するように設置されており、坩堝１０１の温度をモニターし、温度制御が可能である。
【００１２】
坩堝１０１の加熱には抵抗加熱や誘導加熱機構１０２などの方法があるが、結晶の成長方向の温度勾配が数十度/ｃｍ程度にすることが可能であれば、どの加熱方法を用いても良い。また、坩堝１０１の形状は図１に示す円錐と円筒の組み合わせの形状あるいは円筒のみの形状でもよく、坩堝の底面に種結晶１０６を固定することができる。
【００１３】
この坩堝１０１に所望の組成の結晶が成長するよう、原料を充てんし加熱して溶融させる。種結晶１０６の融点は既知であるので、融点より僅かに高い温度になるよう温度制御した後、加熱機構を上昇させて結晶成長を開始する。成長した単結晶（成長結晶  １１１）の重量は坩堝の断面積と加熱機構の移動量から計算される。
【００１４】
結晶成長装置の上部に設置された原料供給機構は、成長している結晶と同じ組成の原料棒１０３、具体的には粉末の焼結体を固定する軸と原料棒を溶融させる装置で構成される。この軸は回転が可能であり、状況によって原料棒を回転させても、回転させなくてもよい。
【００１５】
原料棒の溶融方法の一例として、回転楕円体ミラー１０４の片方の焦点にランプを設置し、もう一方の焦点に原料棒の先端を一致させ、ランプからの光を原料棒に集光し溶融させることができる。このランプ（電球）１０９と回転楕円体ミラー１０４からなる集光機構は１つ以上である。図３のように、原料棒を溶融する回転楕円体ミラー１０４a, bを２つ設置した結晶成長装置を用いることもできる。
【００１６】
また、この方法の他に、図５に示すように、原料棒５０１を白金やイリジウム、モリブデンなどの融点の高い金属の筒５０２に通して誘導加熱または抵抗加熱５０３により溶融し、溶融原料５０４を得る方法を採用することもできる。
【００１７】
原料供給機構の軸には重量センサーが設置されており、前述した坩堝内で成長した結晶の重量をもとに原料棒を所望の重量分だけ溶融させて液滴にし、坩堝内へ原料を供給する。
【００１８】
図２は前述した課題を解決するためのもう一つの単結晶成長装置の概略図である。この単結晶成長装置は原料棒を溶融する回転楕円体ミラーを一つ備えたものである。
【００１９】
単結晶成長装置の一部は一般的なＴＳＳＧ装置であるが、図１の単結晶成長装置と同様に単結晶成長装置の上部に原料供給機構が設置されている。図１の装置同様、坩堝台には回転機能があり、この回転坩堝台２０３によって、条件によって回転方向や単位時間当たりの回転数が調整可能である。また、坩堝台には坩堝に接するように温度センサーが設置されてあり、坩堝の温度を計測し温度制御機構にフィードバックされる。
【００２０】
坩堝に所望の組成の結晶が成長するよう、原料を秤量して充てんし、加熱して溶融させるが、この溶融方法においては図１と同様に結晶の成長方向の温度勾配を調整できる方法であれば、どのような方法を用いてもよい。図４のように、原料棒を溶融する回転楕円体ミラー２０８a, bを２つ設置した結晶成長装置を用いることもできる。
【００２１】
坩堝２０１上部の軸に種結晶２０２を取り付けるが、この軸は回転させることができ、条件によって、つぼ回転台２０３の回転方向や回転数を調整可能である。
【００２２】
坩堝内で溶融した原料を種結晶が僅かに溶融する温度に調整し、種結晶を溶液中に数ミリ程度挿入した後、融液温度を降下させて結晶成長を開始する。このとき、種結晶を引き上げながら成長させてもよく、また、引き上げずに融液内で成長させてもよい。種結晶を取り付けた軸には重量センサーが設置されてあり、成長した結晶（成長結晶２１０）の重量を計測する事ができる。
【００２３】
結晶成長装置の上部の原料供給機構は図1の構成と同様に、溶融方法は集光による方法や誘導加熱法、抵抗加熱法２０４など原料棒２０５の溶融が可能であり、また原料棒の重量変化を計測することができる。坩堝２０１で成長した単結晶の重量に応じて、原料棒２０５を溶融し液滴にした状態で坩堝内に原料を供給する。
【００２４】
このような目的を達成するために、本発明に係る単結晶成長方法の一様態は、
分解溶融する物質の単結晶成長に伴う融液組成の変化を抑制するために、成長した単結晶と同じ組成の原料を溶融して供給することを特徴とする。
【００２５】
また、単結晶成長方法は、
前記物質の単結晶の種結晶及び融液を坩堝に準備し、
前記種結晶から結晶成長を行い、成長した結晶の重量を推定し、
前記物質の単結晶と同じ組成の原料を溶融して坩堝に供給することを特徴とする。
【００２６】
本発明に係る単結晶成長装置の一様態は、
種結晶及び融液を設けるための坩堝と、
単結晶と同じ組成の原料を溶融して前記坩堝に供給する機構とを有することを特徴とする。
【００２７】
供給する前記原料を溶融させる機構において、回転楕円体ミラーと光源とを備えたことを特徴とする。
【００２８】
供給する前記原料を溶融させる機構において、誘導加熱又は抵抗加熱を用いることを特徴とする。
【００２９】
溶融され前記坩堝内に供給される原料は、成長する結晶と同じ組成の粉末の焼結体である原料供給機構を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、融液に原料を供給する際に、原料棒あるいは粉末を直接坩堝内に供給せず、装置上部に設置した原料溶融機構により、原料を溶融させ液滴として坩堝溶液に供給することで融液の温度変化を抑制し、従来技術で問題となっている原料が溶融せずに結晶に付着することがなく、また、融液の温度変化を抑制することができ、且つ貴金属材料を用いた大型坩堝や原料溶融機構を用いずに、結晶品質の劣化が生じにくい条件での原料供給が可能であり、長尺で高品質の単結晶成長を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施例においてＶＢにより結晶成長を行う装置を示す図である。
【図２】本実施例においてＴＳＳＧにより結晶成長を行う装置を示す図である。
【図３】本発明においてＶＢにより結晶成長を行う装置を示す図である。
【図４】本発明においてＴＳＳＧにより結晶成長を行う装置を示す図である。
【図５】白金やイリジウム、モリブデンなどの融点の高い金属の筒に通して誘導加熱を用いる機構を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の単結晶成長方法及び単結晶成長装置の形態について、図を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施例の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施例に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００３３】
本実施例においては、図１を用いてＶＢにより結晶成長を行う方法及び単結晶成長装置を説明する。その単結晶成長装置は、チャンバー１０７と、チャンバー１０７の上方にガラス管１１２と、ランプ１０９と原料棒１０３と設置するための焦点を有する回転楕円体ミラー１０４を有し、チャンバー１０７内に、坩堝１０１と、坩堝の加熱機構１０２と、坩堝回転台１０８とを有する。その単結晶成長装置は、さらに、耐火物１１０を有していてもよい。単結晶成長装置のガラス管１１２を通して、ランプの光を集光し原料棒１０３を溶融し液滴にし、単結晶と同じ組成の原料を溶融して坩堝に供給する。融液１０５と種結晶１０６の界面において、種結晶１０６がわずかに溶融するまで加熱し、成長結晶１１１を形成する。
【００３４】
非特許文献３の記載を参照し、所望の組成のＫＴＮ結晶が成長する溶液となるよう、原料となる粉末を秤量し坩堝１０１に充てんするが、坩堝１０１の底に種結晶１０６を設置する。この坩堝１０１は図１のように円錐と円筒を組み合わせた形状でも、円筒でもよい。このとき溶融によって原料の体積が小さくなる場合は、原料を充てんして高温で溶融し、室温に戻して原料を追加し所望の体積の融液１０５となるよう準備する。
【００３５】
図１の構造の結晶成長装置において、原料が充てんされた坩堝１０１を設置し、毎分５回で回転させる。
【００３６】
この実施例においては、原料棒１０３の溶融機構は回転楕円体ミラー１０４の一方の焦点に光源として電球１０９を設置し、原料棒１０３がもう一方の焦点に一致することで、光源からの光を原料棒１０３に集光し溶融する機構を採用する。
【００３７】
坩堝１０１と原料棒１０３を設置後、チャンバー１０７を閉じて坩堝１０１を加熱し原料を溶融する。このときの溶融方法は抵抗加熱を用いた。この加熱機構は坩堝１０１に沿って上下動が可能である。
【００３８】
種結晶と融液の境界において種結晶が僅かに溶融する温度まで加熱したのち、加熱機構を上方に０．１ｍｍ／ｈ〜1ｍｍ／ｈ程度で移動させ、種結晶１０６からの結晶成長を行う。この過程で加熱機構の移動量と坩堝の水平方向と平行な断面積から成長した結晶（成長結晶１１１）の重量を推定し、この重量に相当する融液を原料棒１０３から得て坩堝に供給する。図１の場合、成長している結晶（成長結晶１１１）と融液１０５の界面と、液滴が接する融液表面は離れているため、結晶界面での温度変化は非常に小さく抑制可能である。この手順を加熱機構の上方への移動と共に連続的に行い、所望の長さが得られたところで０．１℃／ｈ〜1℃／ｈ程度で室温まで冷却して結晶成長を終了する。
【００３９】
この結果、坩堝長の２/３程度の長さで、組成が均一な品質の良い単結晶成長に成功した。
【実施例２】
【００４０】
本実施例においては、図２を用いてＴＳＳＧにより結晶成長を行う方法及び単結晶成長装置を説明する。その結晶成長装置は、チャンバー２０６と、チャンバー２０６の上方にガラス管２１２と、ランプ２０９と原料棒２０５を設置するための焦点を有する回転楕円体ミラー２０８を有し、チャンバー２０６内に、坩堝２０１と、坩堝の加熱機構２０４と、坩堝の回転台２０３と、を有する。その単結晶成長装置は、耐火物２１１を設置してもよい。単結晶成長装置のガラス管２１２を通して、ランプの光を集光し原料棒２０５を溶融し液滴にし、単結晶と同じ組成の原料を溶融して坩堝に供給する。融液２０７と種結晶２０２の界面において、種結晶２０２がわずかに溶融するまで加熱し、成長結晶２１０を形成する。
【００４１】
非特許文献３の記載を参照し、所望の組成のＫＴＮ結晶が成長する溶液となるよう、原料となる粉末を秤量し坩堝に充てんする。このとき溶融によって原料の体積が小さくなる場合は、原料を充てんして高温で溶融し、室温に戻して原料を追加し所望の体積の融液２０７となるようにする。
【００４２】
図２の構造の単結晶成長装置において、原料が充てんされた坩堝２０１を設置し、毎分５回転で回転させる。また、融液に供給する原料棒２０５は所望の結晶組成と同じ組成に秤量し、焼結したものであり、単結晶成長装置の上部に設置された溶融機構に設置された軸に取り付け、回転させず使用した。
【００４３】
この原料棒溶融機構は回転楕円体のミラー２０８の一方の焦点に光源としてランプ（球）２０９を設置し、原料棒２０５がもう一方の焦点に一致することで、光源からの光を原料棒２０５に集光し溶融する機構を用いた。
【００４４】
坩堝２０１と原料棒２０５を設置後、チャンバー２０６を閉じて坩堝を加熱し原料を溶融する。このときの溶融方法は精度よく温度制御ができる抵抗加熱が好適である。
【００４５】
坩堝２０１内の原料が溶融した後、種結晶２０２が溶融せず、かつ、種結晶から急激に結晶成長が始まらない温度に融液温度を調整し、種結晶を１ｍｍ程度融液に挿入し、結晶成長を開始する。種結晶２０２を設置する軸には回転機構が備えてあり、融液２０７の撹拌のため回転を用いる。毎分１０回転にして実施する。
【００４６】
融液温度を降下させ、種結晶２０２を中心に結晶が成長し始めたら種結晶２０２を引き上げずに融液２０７内で単結晶を成長させていく。種結晶が設置された回転軸には重量センサーが取り付けられており、その計測結果から供給する原料の重量を決定し、単結晶成長装置上部の原料棒溶融機構により所望の重量の溶融させた原料を坩堝内に供給する。
【００４７】
結晶が成長した分の原料の供給を連続的に行い、所望の体積となったところで、結晶を融液から引き上げ、０．１℃／ｈ〜１℃／ｈ程度で室温まで冷却して結晶成長を終了する。
【００４８】
この結果、坩堝２０１と同程度の体積で、組成が均一な品質の良い単結晶成長に成功した。
【実施例３】
【００４９】
非特許文献６の記載を利用し、Ｇｄ2Ｓｉ2Ｏ7が成長する融液となるよう、原料となる粉末を秤量し坩堝１０１に充てんする。このとき、坩堝の底に種結晶１０６を設置する。このとき溶融によって原料の体積が小さくなる場合は、原料を充てんして高温で溶融し、室温に戻して原料を追加し所望の体積の溶液を準備する。
【００５０】
図１の構造の装置において、原料が充てんされた坩堝１０１を設置する。坩堝１０１を設置する台には坩堝１０１を軸中心に回転させる毎分２０回転で回転させる。
【００５１】
原料棒は所望の結晶組成と同じ組成に秤量し、焼結したものであり、単結晶成長装置上部に設置された溶融機構に設置された軸に取り付け毎分１０回転で回転させる。
【００５２】
この原料棒溶融機構は回転楕円体のミラーの一方の焦点に光源を設置し、原料棒がもう一方の焦点に一致することで、光源からの光を原料棒に集光し溶融する方法を用いる。
【００５３】
坩堝内の原料の溶融方法はＧｄ2Ｓｉ2Ｏ7の融点が１８５０℃程度と非常に高温であり、シリカを含むことから粘性が高く、融液組成の変化に伴って生じる組成的過冷却を生じやすい。そのため、結晶成長方向の温度勾配を数十℃／ｃｍ以下にできる誘導加熱が適している。この加熱機構は坩堝１０１に沿って上下動が可能である。
【００５４】
種結晶１０６と融液１０５の境界において種結晶が僅かに溶融する温度まで加熱したのち、加熱機構を上方に０．１ｍｍ／ｈ〜１ｍｍ／ｈ程度で移動させ、種結晶からの結晶成長を行う。この過程で加熱機構の移動量と坩堝の水平方向と平行な断面積から成長した結晶（成長結晶１１１）の重量を推定し、この重量に相当する融液を原料棒から得て坩堝に供給する。図１の場合、成長している結晶と融液１０５の界面と、液滴が接する融液表面は離れているため、結晶界面での温度変化は非常に小さく抑制可能である。この手順を加熱機構の上方への移動と共に連続的に行い、所望の長さが得られたところで０．１℃／ｈ〜１℃／ｈ程度で室温まで冷却して結晶成長を終了する。
【００５５】
この結果、坩堝長の２／３程度の長さで、組成が均一な品質の良い単結晶成長に成功した。
【実施例４】
【００５６】
非特許文献６の記載を参照し、Ｇｄ2Ｓｉ2Ｏ7が成長する溶液となるよう、原料となる粉末を秤量し坩堝１０１に充てんする。このとき溶融によって原料の体積が小さくなる場合は、原料を充てんして高温で溶融し、室温に戻して原料を追加し所望の体積の溶液を準備する。
【００５７】
図２の構造の装置において、原料が充てんされた坩堝を設置する。坩堝は回転させることなく使用する。
【００５８】
融液２０７に供給する原料棒２０５は所望の結晶組成と同じ組成に秤量し、焼結したものであり、装置上部に設置された溶融機構に設置された軸に取り付ける。原料棒２０５は毎分２０回転で回転させる。
【００５９】
この原料棒溶融機構は回転楕円体のミラー２０８の一方の焦点に光源を設置し、原料棒がもう一方の焦点に一致することで、光源からの光を原料棒２０５に集光し溶融する方法を用いる。
【００６０】
坩堝２０１と原料棒２０５を設置後、チャンバー２０６を閉じて坩堝を加熱し原料を溶融する。このときの溶融方法は結晶成長方向の温度勾配を数十℃／ｃｍ以下にできる誘導加熱が好適である。
【００６１】
坩堝２０１と原料棒２０５を設置後、チャンバーを閉じて真空引きを行った後、窒素を供給してチャンバー内を毎分１リットルの窒素が流れるよう流量計で調整する。
【００６２】
坩堝内の原料が溶融した後、種結晶が溶融せずかつ、種結晶から急激に結晶成長が始まらない温度に融液温度を調整し、種結晶を１ｍｍ程度融液に挿入し、結晶成長を開始する。種結晶は、融液の撹拌のため毎分１０回転で回転させる。
【００６３】
融液温度を降下させ、種結晶を中心に結晶が成長し始めたら種結晶を引き上げながら、結晶を成長させていく。種結晶が設置された回転軸には重量センサーが取り付けられており、その計測結果から供給する原料の重量を決定し、装置上部の原料棒溶融機構により所望の重量の溶融した原料を坩堝内に供給する。
【００６４】
融液の温度は一定に保ちながら、結晶が成長した分の原料の供給を連続的に行い、所望の体積となったところで、結晶を融液から引き上げ、０．１℃／ｈ〜1℃／ｈ程度で室温まで冷却して結晶成長を終了する。
【００６５】
この結果、坩堝と同程度の体積で、組成が均一な品質の良い単結晶成長に成功した。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、分解溶融する物質の単結晶成長において、結晶成長に伴う融液の組成変化を抑制し、長尺の結晶成長を実現する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０１  坩堝
１０２  抵抗加熱や誘導加熱機構
１０３  原料棒
１０４, １０４ａ,ｂ  回転楕円体ミラー
１０５  融液
１０６  種結晶
１０７  チャンバー
１０８  坩堝回転台
１０９, １０９ａ,ｂ  ランプ（電球）
１１０  耐火物
１１１  成長結晶
２０１  坩堝
２０２  種結晶
２０３  坩堝回転台
２０４  抵抗加熱や誘導加熱機構
２０５  原料棒
２０６  チャンバー
２０７  融液
２０８, ２０８ａ,ｂ  回転楕円体ミラー
２０９, ２０９ａ,ｂ  ランプ（電球）
２１０  成長結晶
２１１  耐火物
２１２  ガラス管
５０１  原料棒
５０２  融点の高い金属の筒
５０３  誘導加熱または抵抗加熱
５０４  溶融原料
【図１】
2019006657.tif 000003
【図２】
2019006657.tif 000004
【図３】
2019006657.tif 000005
【図４】
2019006657.tif 000006
【図５】
2019006657.tif 000007