(57)【要約】      （修正有）【課題】光アイソレータ用ファラデー回転子に用いられるテルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ）の単結晶をＣＺ法（チョクラルスキー法）により育成するに当って、歪の発生を抑制できるガーネット構造を有する単結晶の育成方法の提供。【解決手段】ガーネット構造を有する単結晶の育成方法であって、原料融液に接触させた種結晶２を結晶方位＜１１１＞の方向に引き上げる工程を有し、前記種結晶２は、側面２１の結晶面が｛２１１｝または｛１１０｝、少なくとも一方の底面２２の結晶面が｛１１１｝である六角柱状に形成されている。これにより、種結晶２が接触する単結晶の成長面における成長速度が全周にわたって均一となり、その結果、歪の少ない単結晶が育成され、クラックの発生を抑制できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガーネット構造を有する単結晶の育成方法において、
原料融液に接触させた種結晶を、結晶方位＜１１１＞の方向に引き上げる工程を有し、
前記種結晶は、側面の結晶面が｛２１１｝または｛１１０｝、少なくとも一方の底面の結晶面が｛１１１｝である六角柱状に形成されている単結晶の育成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガーネット構造を有する単結晶の育成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光アイソレータ用ファラデー回転子に用いられるテルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ）の単結晶をＣＺ法（チョクラルスキー法）により育成するにあたり、種結晶として５ｍｍ角に切り出したＹＡＧ結晶（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）を用いることが知られている（特許文献１の［００３５］参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２２１０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ガーネット構造を有する単結晶をＣＺ法で育成する場合に、＜１１１＞方向に引き上げるのが一般的であり、この場合の育成結晶は六角柱になる。しかしながら、上記従来技術では四角柱状の種結晶を用いるため、種結晶が接触する単結晶の成長面において、四角形の角からの成長速度と辺からの成長速度が相違し、育成される単結晶に歪が生じるという問題がある。この歪は、単結晶のクラックを誘発する可能性があり、光デバイスに応用した場合に消光比の低下につながる可能性がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、歪の発生を抑制できる単結晶の育成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ガーネット構造を有する単結晶の育成方法であって、原料融液に接触させた種結晶を結晶方位＜１１１＞の方向に引き上げる工程を有し、前記種結晶は、側面の結晶面が｛２１１｝または｛１１０｝、少なくとも一方の底面の結晶面が｛１１１｝である六角柱状に形成され、これにより上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
ガーネット構造を有する単結晶を結晶方位＜１１１＞の方向に引き上げると、側面の結晶面が｛２１１｝または｛１１０｝、底面の結晶面が｛１１１｝である六角柱状の単結晶が育成されるが、本発明に係る種結晶は、側面の結晶面が｛２１１｝または｛１１０｝、底面の結晶面が｛１１１｝である六角柱状に形成されているので（すなわち晶癖の強い結晶面を有する六角柱状に形成されているので）、種結晶が接触する単結晶の成長面における成長速度が全周にわたって均一となる。その結果、歪の少ない単結晶が育成され、クラックの発生を抑制できるとともに、光デバイスに応用した場合の消光比の低下も抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る単結晶の育成方法で用いられる単結晶引き上げ炉を示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る単結晶の育成方法で用いられる種結晶を示す斜視図である。
【図３Ａ】図２の種結晶の底面図である。
【図３Ｂ】図２の種結晶の他例に係る種結晶の底面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。本発明の単結晶の育成方法は、ガーネット構造を有する単結晶の育成方法であり、原料融液に接触させた種結晶を結晶方位＜１１１＞の方向に引き上げる工程を有し、種結晶は、側面の結晶面が｛２１１｝または｛１１０｝、底面の結晶面が｛１１１｝である六角柱状に形成されているものである。
【００１０】
本例のガーネット構造を有する単結晶としては、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ，Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ，Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２）、ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット（ＧＳＧＧ，Ｇｄ３Ｓｃ２Ｇａ３Ｏ１２）、テルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ，Ｔｂ３Ｇａ５Ｏ１２）、テルビウム・アルミニウム・ガーネット（ＴＡＧ，Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２）、テルビウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット（ＴＳＡＧ，Ｔｂ３Ｓｃ２Ａｌ３Ｏ１２）、テルビウム・スカンジウム・ルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＴＳＬＡＧ，Ｔｂ３Ｓｃ２−ｘＬｕｘＡｌ３Ｏ１２）が挙げられる。
【００１１】
上記ＹＡＧ単結晶は、ネオジウムＮｄなどの元素を添加することで固体レーザー媒質として用いられ、上記ＧＧＧ単結晶や上記ＧＳＧＧ単結晶は、通信用アイソレータに使用される磁性ガーネット薄膜を形成させるための基板材料として用いられ、上記ＴＧＧ単結晶、上記ＴＡＧ単結晶、上記ＴＳＡＧ単結晶及び上記ＴＳＬＡＧ単結晶は、レーザー加工機用光アイソレータに使用されるファラデー回転子材料として用いられる。
【００１２】
これらガーネット構造を有する単結晶は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）に代表される融液引き上げ方法により育成することができ、特にガーネット構造を有する単結晶をＣＺ法により結晶方位＜１１１＞方向に引き上げると、側面の結晶面が｛２１１｝または｛１１０｝、底面の結晶面が｛１１１｝である六角柱状の単結晶が効率よく製造することができる。ちなみに、結晶方位＜１１１＞方向に引き上げることが製造効率の観点から最も好ましいが、製造工程上の個体差（各種の誤差など）を勘案して、±１度程度の誤差は許容される。
【００１３】
図１は、本例のガーネット構造を有する単結晶を育成する工程で用いられる単結晶引上げ炉を示す図である。同図に示すように、単結晶引上げ炉１は、主として、イリジウム製の坩堝１１と、坩堝１１を包囲するように設けられたセラミックス製の第１保温筒体１２と、第１保温筒体１２を包囲するように設けられたセラミックス製の第２保温筒体１３と、第１保温筒体１２と第２保温筒体１３との間に設けられた誘導加熱装置の高周波コイル１４と、先端に種結晶を装着するチャックを有する引上げワイヤ１５と、引上げワイヤ１５の基端が接続されて当該引上げワイヤ１５を回転させながら巻取る巻取装置１６と、坩堝１１，第１保温筒体１２及び第２保温筒体１３を載置する基台１７と、を密閉された炉体１８内に備える。
【００１４】
高周波コイル１４は、図示しない誘導加熱装置からの高周波電流が供給されることにより坩堝１１に誘導電流を生じさせ、坩堝１１を原料３の融点以上の所定温度に加熱する。そして、坩堝１１には育成目的たる単結晶の原料３（固相）が投入され、高周波コイル１４を含む誘導加熱装置により融解されて液相とされる。図１においては液相とされた原料を符号３で示している。
【００１５】
坩堝１１を包囲するように設けられた第１保温筒体１２は、高周波コイル１４によって加熱された坩堝１１の熱が高周波コイル１４に伝熱するのを抑制するものであり、高さ方向において少なくとも坩堝１１の側面を包囲し、さらに坩堝１１から引き上げられる単結晶４の下端部も包囲する高さとされている。これに対して、高周波コイル１４の外側に設けられた第２保温筒体１３は、坩堝１１から引き上げられた単結晶４の温度が急激に降下するのを抑制するためのものであり、高さ方向において少なくとも坩堝１１から引き上げられた単結晶の下端部から中間部までを包囲する高さとされている。第２保温筒体１３を設けることにより、育成された単結晶に生じる熱収縮による歪やクラックを防止することができる。
【００１６】
引上げワイヤ１５の先端（図１において下端）には種結晶２を装着するチャック（不図示）が設けられ、巻上装置１６によって所定の回転速度で回転しながら、所定の巻上速度で上昇する。これら回転速度と巻上速度は、育成目的とする単結晶の育成条件に応じて適宜の値に決定される。なお、引上げ工程において種結晶２と融液３とは所定の回転速度で相対的に回転すればよいので、坩堝１１を載置する基台１７に回転機構を設けて坩堝１１のみを回転させてもよいし、坩堝１１と引上げワイヤ１５の両方を回転させてもよい。また、回転させないでそのまま引き上げることもできる。
【００１７】
ガーネット構造を有する単結晶の育成工程は、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気で実施することが好ましいため、炉体１８の一端には不活性ガスを導入する導入口１８１が設けられ、炉体１８の他端には炉内に導入された不活性ガスを導出する導出口１８２が設けられている。なお、ガーネット構造を有する単結晶の育成工程は、大気圧近傍で実施することが好ましいので、導入口１８１から導入され導出口１８２から導出される不活性ガスを、炉体１８の内部が大気圧近傍となるように流量制御する。
【００１８】
本例のガーネット構造を有する単結晶を育成する工程で用いられる種結晶２は、図２に示すように、６つの側面２１の結晶面が｛２１１｝または｛１１０｝、２つの底面２２の結晶面が｛１１１｝である六角柱状に形成されている。図３Ａに、６つの側面２１の結晶面が｛２１１｝、２つの底面２２の結晶面が｛１１１｝である六角柱状の種結晶２の底面図を示し、図３Ｂに、６つの側面２１の結晶面が｛１１１｝、２つの底面２２の結晶面が｛１１１｝である六角柱状の種結晶２の底面図を示す。なお、ミラー指数の負の数字は数字の上にバーを付けて表すのが一般的であるが、図３Ａ及び図３Ｂ並びに本明細書においては、これをマイナス符号で代用することとする。すなわち、結晶面（−２１１）の「−２」は、「バー２」を表すものとする。
【００１９】
図３Ａに示す種結晶２は、６つの側面が（−２１１），（１１−２），（１−２１），（−２１１），（１１−２），（１−２１）の結晶面又はこれに等価な方向の結晶面を有し、２つの底面が（１１１），（１１１）の結晶面又はこれに等価な方向の結晶面を有する正六角柱に形成されている。また、図３Ｂに示す種結晶２は、６つの側面が（−１１０），（０１−１），（１０−１），（−１１０），（０１−１），（１０−１）の結晶面又はこれに等価な方向の結晶面を有し、２つの底面が（１１１），（１１１）の結晶面又はこれに等価な方向の結晶面を有する正六角柱に形成されている。本例のガーネット構造を有する単結晶の育成方法では、育成単結晶の結晶方位が＜１１１＞となるように引き上げることから、種結晶２の２つの底面の結晶面を｛１１１｝、６つの側面の結晶面を｛１１１｝に直角な｛２１１｝または｛１１０｝とする。こうした結晶面を有する種結晶２は、別途育成した単結晶から、上記の結晶面に沿って切り出すことにより得ることができる。
【００２０】
なお厳密に言えば、図２に示す種結晶２の上部または下部のいずれか一方を引上げワイヤ１５のチャックに装着し、いずれか他方を坩堝１１の原料融液に接触（浸漬）させるので、種結晶２の上記結晶面は原料融液に接触される上部または下部の一方であればよい。ただし、種結晶２の外形が小さい場合などのように上部または下部の判別が困難な場合があり、上部及び下部の両方を上記のような結晶面で形成しておけば装着ミスが防止されることになる。
【００２１】
上記のように構成された単結晶引上げ炉１及び種結晶２を用いてガーネット構造を有する単結晶を育成する方法を説明する。最初に、固相の原料を坩堝１１に投入するとともに、引上げワイヤ１５のチャックに種結晶２を装着する。坩堝１１に投入する原料は、育成目的とする単結晶の体積（外径×引上げ長さ）に応じた体積以上とする。次いで、炉体１８内を密閉し、導入口１８１から不活性ガスを導入するとともに導出口１８２から当該不活性ガスを導出しながら炉体１８内を大気圧近傍に維持し、図外の誘導加熱装置を作動して高周波コイル１４に電流を流し坩堝１１を原料の融点以上に加熱する。これにより、固相の原料が融解して液相となるので、巻取装置１６を作動してその液面まで種結晶２を下降し、種結晶２を液相原料に接触させる。
【００２２】
種結晶２の下端が坩堝１１内の液相原料に接触したら、巻取装置１６によって引上げワイヤ１５を所定速度（ゼロを含む）で回転させながら所定速度で引上げを開始する。この場合、種結晶２の底面２２が｛１１１｝結晶面であるため、引上げ方向は＜１１１＞となる。引上げ当初は、育成される単結晶４の外形が徐々に拡径するように種結晶２の回転速度と引上げ速度を制御し、種結晶２の直下に肩部を形成する。育成される単結晶４の外形が目的とする外形に達したら、種結晶の回転速度と引上げ速度を制御して胴部を形成する。所定の引上げ長さに達したら誘導加熱装置による加熱を停止するとともに巻取装置１６を停止し、育成された単結晶４を取り出す。これにより目的とする単結晶を得ることができる。
【００２３】
本例のガーネット構造を有する単結晶の育成方法によれば、種結晶２が、育成される単結晶の晶癖が強い結晶面と同じ結晶面を有する正六角柱状に形成されているので、図３Ａ，図３Ｂに示す正六角形の角の近傍で成長する速度と辺中央の近傍で成長する速度がほぼ等しくなる。すなわち、種結晶２が接触する単結晶の成長面における成長速度が全周にわたって均一となる。その結果、歪の少ない単結晶が育成され、クラックの発生を抑制できるとともに、光デバイスに応用した場合の消光比の低下も抑制することができる。
【００２４】
なお、上述した実施の形態ではＣＺ法によりガーネット構造を有する単結晶を育成したが、フラックス法やカイロポーラス法など液相から単結晶を引き上げる方法であっても同様の作用効果を奏する。
【００２５】
上述した実施の形態にしたがって、より具体的なＴＳＡＧ単結晶の育成方法の一例を説明する。単結晶の原料としてのＡｌ２Ｏ３，Ｓｃ２Ｏ３，Ｔｂ４Ｏ７を定比組成となるように秤量し、ボールミルにて混合した。この原料粉末を静水圧プレス機により圧粉し、１５００℃で３時間焼結し、原料焼結体を得た。種結晶は、別途育成したφ５０ｍｍのＴＳＡＧ単結晶（立方晶）から超音波加工機を用いて一辺が２．５ｍｍの正六角柱にくり抜いて得た。くり抜く際に、種結晶の６つの側面が｛２１１｝、軸方向が＜１１１＞となるように超音波加工機にセットして行った。
【００２６】
上記の原料焼結体を図１の坩堝１１（内径φ５０ｍｍ）に投入し、誘導加熱装置により完全に融解させたのち、種結晶を融液面に接触させて１．０ｍｍ／ｈの引上げ速度で引上げ、直胴部がφ５０ｍｍ×１００ｍｍとなるように制御し、ＴＳＡＧ単結晶を得た。得られたＴＳＡＧ単結晶を目視観察したところクラックはなかった。同様に、種結晶の６つの側面を｛１１０｝、軸方向を＜１１１＞とした種結晶を作製したが、得られたＴＳＡＧ単結晶にクラックは発見されなかった。
【００２７】
ちなみに、φ５０ｍｍのＴＳＡＧ単結晶から種結晶２をくり抜いて作製するにあたり、本例のように一辺が２．５ｍｍの正六角柱の種結晶とすると６６本の種結晶が作製できたが、φ５ｍｍの円柱状の種結晶とすると４２本しかくり抜けない。すなわち、種結晶２を六角柱状に形成することで種結晶の生産性も向上することになる。
【符号の説明】
【００２８】
１…単結晶引上げ炉
１１…坩堝
１２…第１保温筒体
１３…第２保温筒体
１４…高周波コイル
１５…引上げワイヤ
１６…巻取装置
１７…基台
１８…炉体
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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