(57)【要約】【課題】単結晶を育成する単結晶育成容器を安価に提供すること。【解決手段】白金により形成される内筒容器９ａ，９ｂをオートクレーブ２に収容するようにして構成しているので、例えばオートクレーブ２を大型化した場合でも、内筒容器９ａ，９ｂを大型化する必要がなく、内筒容器９ａ，９ｂの機械的強度を得るために、内筒容器９ａ，９ｂを肉厚に形成する必要が無いので、オートクレーブ２より小さい内筒容器９ａ，９ｂを作製するほうが、白金などの高価な材料の使用量が少なくなる分だけ、内筒容器９ａ，９ｂを安価に作製することができるようになる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水熱合成法により単結晶を育成する単結晶育成容器において、
所要以上の温度と圧力に耐えられる第１の容器と、
貴金属により形成され、単結晶の育成が行われる第２の容器とからなり、
複数の前記第２の容器が前記第１の容器内に収容されて構成されていることを特徴とする単結晶育成容器。
【請求項２】
前記第１の容器には、複数の前記第２の容器内を、それぞれ加熱するための加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の単結晶育成容器。
【請求項３】
前記加熱手段は、
複数の前記第２の容器内をそれぞれ加熱するヒーターと、複数の前記第２の容器との間を断熱する断熱材により構成されることを特徴とする請求項２に記載の単結晶育成容器。
【請求項４】
当該単結晶育成容器は、酸化亜鉛の単結晶の育成に用いられることを特徴とする請求項１に記載の単結晶育成容器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水熱合成法により単結晶を育成するのに好適な単結晶育成容器に関わり、特に酸化亜鉛の単結晶を育成するのに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から単結晶の育成を行う際には、高温高圧の系において、物質を反応させて結晶の育成を行うようにしている。
このような単結晶育成方法の１つとして、例えば高温高圧の系に温度差を設け、この温度差による育成溶液の結晶溶解度の差を利用した、いわゆる水熱合成法が知られている。
【０００３】
図４は、従来の単結晶育成装置において単結晶の育成を行った時の様子を模式的に示した図である。
この図４に示すように、従来の単結晶育成容器１００では、例えば鉄を主材とした高張力鋼からなり、高温高圧に耐えられる容器（オートクレーブ）１１０内で単結晶の育成を行うようにしている。
オートクレーブ１１０内は、バッフル板（対流制御板）１０４により、単結晶の育成に必要な育成溶液を生成する溶解領域と、単結晶を成長させる成長領域とに分けられている。
【０００４】
成長領域には、フレーム１０１に貴金属線１０２を取り付けた懸架ジグが設けられており、この懸架ジグの貴金属線１０２に種子結晶１０３が吊り下げられている。また溶解領域には、単結晶の原料１０５が投入されている。
【０００５】
このように種子結晶１０３と原料１０５をそれぞれの領域に配置した後、オートクレーブ１１０内に原料１０５を溶解させる溶解液（図示していない）を充填し、オートクレーブ１１０をヒーター１０６により加熱して、オートクレーブ１１０内が所定の高温高圧状態となるように温度制御を行うと、溶解領域では溶解液に原料１０５が溶解した育成溶液（飽和溶液）が発生する。
【０００６】
この時、オートクレーブ１１０の溶解領域（下部側）の温度を成長領域（上部側）の温度より高くなるように制御して、溶解領域と成長領域との間に温度差を与えることで、この温度差により生じる対流によって、溶解領域で発生した育成溶液が上昇し、成長領域に流れ込むことになる。
成長領域は、溶解領域に比べて温度が低いため、成長領域に達した育成溶液は過飽和状態となる。
この結果、成長領域と溶解領域の温度差に相当する溶解度差分の原料１０５が種子結晶１０３に析出し、種子結晶１０３が成長していくことになる。
【０００７】
例えば、図４に示した単結晶育成容器１００により水晶の単結晶を育成する場合には、溶解液として弱アルカリ性溶液を用い、オートクレーブ１１０内の温度を約３５０℃、圧力を１０００気圧〜１５００気圧に設定するようにされる。
【０００８】
ところで、上記したような水熱合成法によって単結晶を育成する際には、育成する単結晶の種類にもよるが、通常、溶解液として、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、炭酸カルシウム（Ｎａ２ＣＯ３）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）などのアルカリ溶液または酸溶液が用いられる。
このため、この溶解液によって、オートクレーブ１１０の主材である鉄が腐食し、腐食した鉄成分が育成中の単結晶に不純物として混入するという不具合があった。
【０００９】
そこで、上記したような問題を解決する１つの手段として、強酸又は強アルカリ溶液によっても腐食しない貴金属を用いて形成した内筒容器を、オートクレーブ１１０内に独立して設置し、この内筒容器内で単結晶の育成を行うことで、育成中の単結晶に不純物が混入するのを防止するようにしたものが提案されている（特許文献１）。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−０６３８８９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特許文献１に記載されているような構造の単結晶育成容器を用いて、例えば工業用途に利用可能なサイズの単結晶を量産レベルで育成する場合は、単結晶育成容器の大型化に伴って、その内部に収容される内筒容器も大型化することになる。
【００１２】
しかし、内筒容器を大型化するには、機械的強度を確保するために容器を肉厚にする必要があるため、内筒容器を形成するにあたって、使用する白金などの貴金属の量が大幅に増加し、内筒容器の製造コストが大幅にアップするという欠点があった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、上記したような点を鑑みてなされたものであり、本発明の、水熱合成法により単結晶を育成する単結晶育成容器は、所要以上の温度と圧力に耐えられる第１の容器と、貴金属により形成され、単結晶の育成が行われる第２の容器とからなり、複数の第２の容器が第１の容器内に収容されて構成されている。
【００１４】
本発明によれば、複数の第２の容器を第１の容器内に収容するようにして構成されているので、第１の容器と比較して、貴金属により形成される第２の容器のサイズを小さくすることができる。つまり、第１の容器の大型化に伴って、第２の容器を大型化しなくても単結晶育成容器を構成することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態とされる単結晶育成容器について説明する。
なお、本実施の形態では、本発明の単結晶育成容器を用いて酸化亜鉛（ＺｎＯ）の単結晶を育成する場合を例に挙げて説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態の単結晶育成容器の構造を説明するための分解斜視図、図２は本実施の形態の単結晶育成容器の断面図である。
これら図１、図２に示すように、本実施の形態の単結晶育成容器１は、第１の容器であるオートクレーブ２と、その内部に収容可能な内筒容器部８とからなる。
【００１７】
オートクレーブ２は、水熱合成法により酸化亜鉛（ＺｎＯ）の単結晶を育成する際に与えられる温度と圧力に耐えられる容器であり、例えば鉄を主材とした高張力鋼などにより形成された容器本体３と蓋体４とからなる。これら容器本体３と蓋体４は、パッキン６を挟んで容器本体３に蓋体４を被せて、固着部５，５により固着することで、その内部を気密状態に保つことができるようになっている。
また、容器本体３の外周には、容器本体３内を加熱するためのヒーター７，７・・・が取り付けられている。なお、ヒーター７，７・・・の取り付け位置については後述する。
【００１８】
内筒容器部８には、第２の容器である内筒容器９ａ，９ｂが設けられている。内筒容器９ａは、底台２２ａ上に載置されている。また、内筒容器９ｂは、内筒容器９ａ上で、断熱材１０を挟んで設けられている底台２２ｂ上に載置されている。この場合、底台２２ａ、底台２２ｂ、及び断熱材１０は、２本の支柱２３，２３によって支持されている。このように、内筒容器部８は、２つの内筒容器９ａ，９ｂが縦列配置されている。
【００１９】
内筒容器９ａ，９ｂは、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、及び白金（Ｐｔ）などの白金族元素からなる貴金属によって形成される円筒状の容器である。そして、本実施の形態の単結晶育成容器１では、これら内筒容器９ａ，９ｂ内で、それぞれＺｎＯ単結晶の育成を行うようにしている。
【００２０】
このため、各内筒容器９ａ，９ｂの内部には、熱対流を制御する内部バッフル板（対流制御板）１４が設けられており、この内部バッフル板１４により、ＺｎＯの原料を溶解する溶解領域と、ＺｎＯ単結晶を成長させる成長領域に分割されている。
【００２１】
また、内筒容器９ａ，９ｂには、その内部と外部と圧力差の均衡を図るための圧力調整部２１が設けられていると共に、その外周囲に複数の開口孔（図では円孔）が形成されたリング状の外部バッフル板１５が取り付けられている。なお、圧力調整部２１と外部バッフル板１５については後述する。
【００２２】
このようにして単結晶育成容器１を構成すれば、例えばオートクレーブ２に比べて内筒容器９ａ，９ｂの高さ（長さ）を短くすることができるので、例えばオートクレーブ２の高さ（長さ）を高く（長く）して、オートクレーブ２を大型化した場合でも、内筒容器９ａ，９ｂの高さ（長さ）を長くする必要がないものとされる。つまり、オートクレーブ２を大型化に合わせて内筒容器を大型化する必要が無いものとされる。
【００２３】
この結果、内筒容器の機械的強度を得るために、内筒容器を肉厚に形成する必要が無いので、例えば、大型のオートクレーブ２を用いてＺｎＯ単結晶を量産するときに、オートクレーブ２に合った１つの内筒容器を作製する場合と、オートクレーブ２より小さいサイズの内筒容器を複数作製する場合とを比較すると、内筒容器の肉厚を薄くすることができ、高価な内筒容器の材料の使用量が少なくなる分だけ、オートクレーブ２より小さいサイズの内筒容器を複数作製する場合のほうが内筒容器の作製コストを安くすることができる。
【００２４】
特に、本実施の形態の単結晶育成容器１を用いて、例えばＺｎＯ単結晶の育成を行う場合には、内筒容器を作製するだけで、オートクレーブ２などの他の設備は水晶の量産（育成）に使用していた設備を利用することができるという利点がある。
【００２５】
図３は、本実施の形態の単結晶育成容器を用いてＺｎＯ単結晶の育成を行う場合の様子を模式的に示した図である。
なお、本実施の形態の単結晶育成容器１は、内筒容器９ａ、９ｂ内でそれぞれＺｎＯの単結晶を育成することになるが、内筒容器９ａ，９ｂでは同じ育成条件でＺｎＯの育成が行われることから、ここでは内筒容器９ａにおけるＺｎＯ単結晶の育成について説明する。
【００２６】
本実施の形態の単結晶育成容器１においては、内筒容器９ａと内筒容器９ｂとを、それぞれ独立して加熱することができるように間内筒容器９ａと内筒容器９ｂとの間に断熱材１０が設けられている。これにより、内筒容器９ａと内筒容器９ｂとの間で熱エネルギーの移動は無いものとされる。
【００２７】
この図３に示すように、本実施の形態の単結晶育成容器１によりＺｎＯ単結晶の育成を行う場合は、オートクレーブ２に収容した２つの内筒容器９ａ，９ｂの内部で、それぞれＺｎＯ単結晶の育成を行うようにされる。
【００２８】
内筒容器９ａの内部は、上述したような内部バッフル板１４により、単結晶の育成に必要な育成溶液４１を生成する溶解領域と単結晶を成長させる成長領域とに分けられている。
【００２９】
内筒容器９ａの成長領域（上部側）には、フレーム１１に貴金属線（白金線）１２を取り付けた懸架ジグが設けられており、この懸架ジグの貴金属線１２に種子結晶１３が吊り下げられている。
また、内筒容器９ａの溶解領域（下部側）には、原料１６となる酸化亜鉛が投入されている。
【００３０】
また、内筒容器９ａ内には、例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、炭酸カルシウム（Ｎａ２ＣＯ３）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などの強アルカリ溶液が所定の充填率で注入されていると共に、オートクレーブ２と内筒容器９ａとの間には伝熱のために純水などの伝熱溶液４２が所定の充填率で注入されている。
【００３１】
オートクレーブ２の外周には、ヒーター７，７・・・が取り付けられている。
これらのヒーター７，７・・・は、オートクレーブ２を加熱して、その内部に収容されている内筒容器９ａ，９ｂを、それぞれ所定の高温高圧状態に保つために設けられている。
【００３２】
このため、ヒーター７，７・・・は、断熱材１０により熱的には分離されている内筒容器９ａ，９ｂの各溶解領域及び育成領域の位置に対してそれぞれ取り付けられている。そして、これらのヒーター７，７・・・のオン／オフ制御を、各内筒容器９ａ，９ｂごとに行うことで、内筒容器９ａ，９ｂ内の温度及び圧力を、それぞれ独立して制御できるようになっている。
【００３３】
なお、図示していないが、実際にはオートクレーブ２に圧力計や熱電対などを取り付け、オートクレーブ２内が所定の温度及び圧力となるように、温度制御装置によりヒーター７，７・・・の温度制御を行うことで、内筒容器９ａ，９ｂ内を所定の高温高圧状態に保つようにしている。
【００３４】
内部バッフル板１４は、複数の孔（図では円孔）が形成されており、この孔数によって設定される開口面積により、溶解領域から成長領域への対流量を制御するようにしている。
【００３５】
そして、このような単結晶育成容器１においては、内筒容器９ａの下部（溶解領域）側の温度を上部（成長領域）の温度より高くなるように制御して、溶解領域と成長領域との間に温度差を与えることで、この温度差により生じる対流によって、溶解領域で発生した育成溶液４１が上昇し、上記した内部バッフル板１４を介して成長領域に流入することになる。
【００３６】
このとき、成長領域の温度は、溶解領域の温度に比べて低いため、成長領域に流れ込んだ育成溶液４１は過飽和状態になり、溶解領域との温度差に相当する溶解度差分の原料１６が種子結晶１３に析出し結晶が成長していくことになる。
【００３７】
例えば、本実施の形態の単結晶育成容器１を用いてＺｎＯ単結晶を育成する場合は、内筒容器９ａ内の成長領域の温度を３３０〜３６０℃、その圧力を６００〜８００ｋｇ／ｃｍ２、成長領域と溶解領域との温度差を１０〜３０℃の温度範囲内となるように制御すると品質の良いＺｎＯ単結晶を育成することができる。
【００３８】
また、本実施の形態の単結晶育成容器１では、内筒容器９ａの外側に外部バッフル板１５を設けるようにしている。これにより、内筒容器９ａの外側の対流を制限することで、内筒容器９ａ内の領域間において、種子結晶１３の成長に必要な温度差が確実に得られるようにしている。なお、外部バッフル板１５は、内部バッフル板１４と同じ高さ位置に設けると、内筒容器９ａ内の領域間の温度差が確実に得ることができる。
【００３９】
なお、外部バッフル板１５を設けない場合は、オートクレーブ２と内筒容器９ａ間の熱対流が内筒容器９ａの外側全領域にわたって発生する。
このため、内部バッフル板１４により内筒容器９ａ内の熱対流を制御して、成長領域と溶解領域間に温度差を得るようにしても、内筒容器９ａの外側の熱対流により内筒容器９ａ内の領域間で所定の温度差を得ることができず、結果的に結晶育成を効果的に行うことができないという不都合が生じることになる。
【００４０】
また、本実施の形態の単結晶育成容器１では、内筒容器９ａの一部を、圧力調整部２１として機能させるために、内筒容器９ａの一部をじゃばら状に構成して、内筒容器９ａの内外圧差に応じて、内筒容器９ａを上下方向に伸縮可能に構成している。このようにすれば、圧力調整部２１の上下方向の伸縮によって、内筒容器９ａの内部圧力と外部圧力の均衡を図ることができるので、内筒容器９ａの内外圧力差によって内筒容器９ａが変形するのを防止するようにしている。
【００４１】
このようにすれば、本実施の形態の単結晶育成容器１の用いてＺｎＯ単結晶を育成することができる。
そしてこの場合は、ＺｎＯ単結晶が白金などの貴金属により形成した内筒容器９ａ，９ｂ内で育成することができるので、ＺｎＯ単結晶に不純物が混入するといったことがない。
また、溶解液である強アルカリ溶液を内筒容器９ａ，９ｂ内に密閉封入することができるので、強アルカリ溶解液によってオートクレーブ２の内壁（鉄）の腐食を防止することができ、オートクレーブ２の劣化を防ぐことができるという利点がある。
【００４２】
なお、本実施の形態の単結晶育成容器１では、オートクレーブ２内に２つの内筒容器９ａ，９ｂを設ける場合を例に挙げて説明したが、あくまでも一例であり、オートクレーブ２内に、さらに多くの内筒容器を収容するように構成することも可能である。
【００４３】
また、本実施の形態では、内筒容器９ａ，９ｂをオートクレーブ２内に縦列配置する場合を例に挙げたが、内筒容器９内の温度を適正に設定することができれば、オートクレーブ２内の内筒容器９ａ，９ｂの配置は他の配置であってもよい。
【００４４】
さらに、本実施の形態では、単結晶育成容器１を用いてＺｎＯ単結晶を育成する場合を例に挙げて説明したが、これはあくまでも一例であり、例えばリン酸（Ｈ３ＰＯ４）などの弱酸又は弱アルカリ溶液を用いて、ＺｎＯ単結晶以外の各種単結晶、例えば水晶を水熱合成法により育成することも可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の単結晶育成容器は、複数の第２の容器を、第１の容器内に収容するようにして構成しているので、例えば第１の容器を大型化した場合でも、貴金属により形成される第２の容器を大型化する必要がないものとされる。
この結果、第２の容器の機械的強度を得るために、その肉厚を厚くする必要が無いので、例えば大型の第１の容器を用いて単結晶の育成を行うために、第１の容器に合った１つの第２の容器を作製する場合と、第１の容器より小さい第２の容器を複数作製する場合では、第１の容器より小さい第２の容器を複数作製するほうが、第２の容器の肉厚を薄くすることができ、貴金属などの高価な材料の使用量が少なくなる分だけ安価に作製することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態としての単結晶育成容器の構造を説明するための分解斜視図である。
【図２】本実施の形態の単結晶育成容器の断面図である。
【図３】本実施の形態の単結晶育成容器を用いて単結晶の育成を行った時の様子を模式的に示した図である。
【図４】従来の単結晶育成容器を用いて単結晶の育成を行った時の様子を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１  単結晶育成容器、２  オートクレーブ、３  容器本体、４  蓋体、５  固着部、６  パッキン、７  ヒーター、８  内筒容器部、９ａ  ９ｂ  内筒容器、１０  断熱材、１１  フレーム、１２  貴金属線、１３  種子結晶、１４  内部バッフル板、１５  外部バッフル板、１６  原料、２１  圧力調整部、２２ａ  ２２ｂ  底台、２３  支柱
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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