(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱対流を用いた水熱合成法により人工水晶を製造するにあたり、種子水晶の主面に密接させて特定の方向の成長を抑制する制御板であって、
当該制御板は前記種子水晶の少なくとも一つの側面の成長を抑制する側壁を有するとともに、制御板本体と前記側壁がなす角度が７０度〜８８度であることを特徴とする人工水晶育成用制御板。
【請求項２】
熱対流を用いた水熱合成法により人工水晶を製造するにあたり、種子水晶の主面に密接させて特定の方向の成長を抑制する制御板であって、
当該制御板は前記種子水晶の少なくとも一つの側面の成長を抑制する側壁を有するとともに、制御板本体と前記側壁がなす角度が７０度〜８８度であり、前記側壁には内側に突出する突起または突条が形成されていることを特徴とする人工水晶育成用制御板。
【請求項３】
前記制御板が金属からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の人工水晶育成用制御板。
【請求項４】
前記制御板が表面に水晶被膜を生成させた金属板からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の人工水晶育成用制御板。
【請求項５】
所定切断方位の種子水晶の上面に請求項１または請求項２または請求項３または請求項４記載の制御板を設け、熱対流を用いた水熱合成による人工水晶の製造方法。
【請求項６】
種子水晶がＸ−Ｙ平面水晶板であり、主として一方のＺ軸方向へ水晶を成長させるとともに、＋Ｘ軸側に側壁を形成した制御板を用いることにより、＋Ｘ軸方向への成長を抑制したことを特徴とする請求項５記載の人工水晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶振動子や光学用素子などとして使用される人工水晶の製造方法及びその製造方法により得られる人工水晶に関し、特に特定方位の成長面を選択的に成長させる製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水熱合成法による人工水晶の育成は、人工水晶育成炉（オートクレーブ）内に、対流制御板を挟んで、下側に育成用原料（原料水晶）を、上側に種子水晶をそれぞれ設置する。また、育成炉内に育成用溶液（アルカリ溶液）を充填し、育成炉を密封し加熱する。そして、育成炉の上側よりも下側が高温となるように温度勾配をつけ、育成用溶液を育成炉内で熱対流させる。これにより、育成炉内の下部で溶解した育成用原料が、育成炉内の上部に達し、その際、冷却されて過飽和状態となって種子水晶上に析出成長する。この動作を所定期間連続して行うことにより、所定の大きさの人工水晶が得られる。
【０００３】
近年においては人工水晶を水晶振動子用のほかに光学部品として用いたり、弾性表面波素子として用いる用途が増加している。光学部品として用いる場合は結晶内の不純物を極力減少させることが求められ、また弾性表面波素子として用いる場合は、製造効率の観点から、特定の成長領域を大きなウェハで提供することを求められていた。このような要求に対応させるため、特公昭５７−４９５２０号に開示されたように特定の方位を主として成長させる製造方法が発明された。特公昭５７−４９５２０号は、水晶とは異質な材料からなる板（制御板）によって種子水晶の上部基本成長面を遮断し、これにより下部基本成長面に結晶を生成させる製造方法である。その中には制御板本体に対し＋Ｘ軸方向の成長を抑制する垂直な側壁を有するＬ字形制御板が開示されており、これにより２方向の成長を制御し、実用領域を広く確保する製造方法が示されている。
【０００４】
しかしながらこのような屈曲角度が直角のＬ字形制御板を用いた場合、Ｌ字形の角部分にまで水晶が成長し、人工水晶育成完了時にはＬ字形制御板と成長した人工水晶とが強固に密着してしまうことがあった。このような場合、水晶の切り離し作業が困難で、当該作業により人工水晶にクラックが発生し、水晶振動素子として使用できる使用可能領域が減少し、製造歩留まりが低下することがあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、実用領域が大きく、また成長した人工水晶と制御板との切り離しが容易で、かつ人工水晶の損傷が少なく品質の良好な人工水晶育成用制御板、及び当該制御板を用いた人工水晶の製造方法、及び当該製造方法による人工水晶を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明者は、複数方向に対して人工水晶の成長を規制する制御板について、育成対象の水晶と強固に固着することのない制御板の検討を行った結果、制御板本体と側壁がなす角度を鋭角に調整することにより、また側壁において内側に突出した突起または突条を形成することにより上記問題を解決することを見いだしたものであり、次の各構成を特徴としている。
【０００７】
すなわち請求項１に示すように、熱対流を用いた水熱合成法により人工水晶を製造するにあたり、種子水晶の主面に密接させて特定の方向の成長を抑制する制御板であって、  当該制御板は前記種子水晶の少なくとも一つの側面の成長を抑制する側壁を有するとともに、制御板本体と前記側壁がなす角度が７０度〜８８度であることを特徴としている。
【０００８】
請求項１によれば、種子水晶は制御板の配置された方向とは逆の方向に主として成長する。例えばＺ板水晶（Ｘ−Ｙ平面）は主たる成長面が厚み方向（Ｚ軸方向）であるが、一方のＺ成長面側のみを成長させる場合、他方のＺ成長面に制御板を密接させ、この状態で育成を進めることにより、主として一方のＺ成長面側に結晶が成長する。
【０００９】
また、種子水晶の側面の成長を抑制する側壁を設けているが、制御板本体と側壁の角部の角度が鋭角であるため、当該角部に供給されるアルカリ溶液が制限される。このため、図４に示すように斜線で示した成長領域６ａが先に側壁に到達し、これにより角部には新たなアルカリ溶液が供給されにくくなる。よって角部における人工水晶の成長が極端に鈍化すると考えられる。なお、図４は制御板を＋Ｘ軸方向（側壁がわ）から見た図であり、６は種子水晶、６１は成長した人工水晶、７は制御板、７１は側壁である。
【００１０】
前記角度は９０度未満であることが必要であるが、角度が小さすぎるとアルカリ溶液の供給が最初から極端に低下し、実用領域の成長を阻害するので注意が必要である。図５各図は前記角部の角度と人工水晶の成長を模式的に示した図である。図５各図において６は種子水晶、、６１は成長した人工水晶、７は制御板、７１は側壁である。図５（ａ）は側壁が制御板本体主面に対して９０度に立設した場合である。この場合熱対流の状況にも依存するが多くの場合角部Ｃにまで人工水晶が成長してしまう。図５（ｂ）は側壁の角度が８２度に内倒した状態である。側壁の先端は種子水晶６の端部を覆う構成とはなっていない。この場合、育成日数に関わらず角部Ｃの領域までは人工水晶は成長しない。図５（ｃ）は側壁の角度が約６５度でかなり内倒した状態である。側壁の先端は種子水晶６の端部を覆う構成、すなわち側壁の先端から制御板本体に対して垂線を下ろした場合、種子水晶と交わる状態となっている。この場合、育成日数に関わらず角部Ｃの領域までは人工水晶は成長しないが、側壁の先端部分が種子水晶のＺ方向の成長すなわち実用領域の成長を阻害してしまう。
【００１１】
前記角度は、側壁寸法にも依存するが、実験的には７０度〜８８度の範囲では良好な人工水晶育成を行うことができた。側壁の先端部分から制御板本体に垂線を下ろした場合、種子水晶６の端部を覆う状態とならない程度の角度であればよい。なお、人工水晶育成環境並びにオートクレーブ内における制御板の設置状態（傾き等）のバラツキを考慮すると前記角度は７２度〜８５度が好ましい。
【００１２】
また請求項２に示すように、熱対流を用いた水熱合成法により人工水晶を製造するにあたり、種子水晶の主面に密接させて特定の方向の成長を抑制する人工水晶育成用制御板であって、当該制御板は前記種子水晶の少なくとも一つの側面の成長を抑制する側壁を有するとともに、制御板本体と前記側壁がなす角度が７０度〜８８度であり、前記側壁には内側に突出する突起または突条が形成されている構成であってもよい。
【００１３】
請求項２によれば、上述の角度を鋭角に設定した場合と同様の作用を得ることができる。すなわち、側壁には内側に突出する突起または突条が形成されているので、当該突起または突条により特に角部に供給されるアルカリ溶液が制限される。このため、突起または突条部分に先に成長領域が到達し、これにより角部における人工水晶の成長が極端に鈍化すると考えられる。よって角部にまで人工水晶の成長が進むことがない。
【００１４】
また請求項３に示すように、請求項１または請求項２において前記制御板が金属からなる構成としてもよい。
【００１５】
請求項３によれば、制御板を金属で構成しているので、折り曲げたりあるいは突起、突条を設ける等の塑性加工が容易であり、制御板本体と側壁の角度調整あるいは側壁において任意の位置に突起を設ける等の作業を自在に行うことができる。
【００１６】
さらに請求項４に示すように、請求項１または請求項２において、前記制御板が表面に水晶被膜を生成させた金属板からなる構成としてもよい。
【００１７】
請求項４によれば、上記各効果に加えて、金属板表面に生成された水晶被膜と育成された人工水晶は強固に固着することがなく、育成完了後の制御板が配置されたＺ成長面はほぼ種子水晶の平面状態を維持している。従って制御板からの剥離がきわめて容易で、剥離作業時において育成された人工水晶に破損を生じさせることがない。また種子水晶の平面状態を維持しているため、切断方位が確定しているきわめて平滑な面を得ることができるので、後工程の各種切断加工工程において基準面として用いることができる。
【００１８】
請求項５は、上記各制御板を用いた人工水晶の製造方法に関し、所定切断方位の種子水晶の上面に請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の制御板を設け、熱対流を用いた水熱合成法による人工水晶の製造方法を開示している。
【００１９】
請求項５によれば、制御板本体と側壁との角度を鋭角にすることにより、角部における水晶成長を抑止する。また育成炉内では育成用溶液を熱対流させるが、育成溶液とともに不純物も熱対流する。上記構成によれば、育成する種子水晶の上方（多くの場合熱対流の上流側）に制御板を配置する構成であるので、種子水晶および結晶成長が進んだ人工水晶への不純物の沈着を防止する。従って不純物の少ない人工水晶を得ることができる。また、成長した水晶は種子水晶が端面に位置する構成であるので、当該端部の種子水晶部分を切除することにより、水晶の光学的特性等を阻害しない、良好かつ均一な品質の人工水晶を得ることができる。
【００２０】
さらに請求項４記載の制御板を用いた場合は、制御板からの剥離がきわめて容易で、剥離作業時において育成された人工水晶に破損を生じさせることがない。また種子水晶の平面状態を維持しているため、切断方位が確定しているきわめて平滑な面を得ることができる
【００２１】
また請求項６は種子水晶の具体構成を示した場合の人工水晶の製造方法であり、種子水晶がＸ−Ｙ平面水晶板であり、主として一方のＺ軸方向へ水晶を成長させるとともに、＋Ｘ軸側に側壁を形成した請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の制御板を用いることにより、＋Ｘ軸方向への成長を抑制したことを特徴としている。
【００２２】
Ｘ−Ｙ平面水晶（Ｚ板水晶）は主たる成長面が厚み方向（Ｚ軸方向）であるが、一方のＺ成長面側のみを成長させる場合、他方のＺ成長面に制御板を密接させ、この状態で育成を進めることにより、主として一方のＺ成長面側に結晶が成長する。請求項６によれば、請求項５による作用効果に加えて、良好かつ均一な品質のＺ軸方向に伸長した人工水晶を得ることができる。
【００２３】
請求項５または請求項６に記載された製造方法により製造される人工水晶は、制御板からの剥離がきわめて容易で、剥離作業による育成された人工水晶に破損を生じさせることがなく、切断方位が確定しているきわめて平滑な面を得ることができる。また不純物の含有量もきわめて少なくすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
−人工水晶育成炉の構成説明−
先ず、本発明に係る人工水晶育成用溶液（以下、単に育成用溶液と呼ぶ）を使用して人工水晶の育成を行うための人工水晶育成炉（以下、単に育成炉と呼ぶ）の構成について説明する。
【００２６】
図１は、本形態に係る育成炉１の内部構成を示す断面図である。この図１に示すように、育成炉１は、炉本体２の外周囲に図示しない電気炉が配設されており、この電気炉３によって炉本体２が加熱されるようになっている。上記炉本体２は、上部が開放された有底円筒状であり、上端開口２１には、炉本体２の内部空間４を密閉するための蓋体２２が装着されている。この蓋体２２には、炉本体２の内部圧力を計測するための圧力計が取り付けられている。更に、炉本体２の内部空間４の上下方向中間位置には対流制御板２３が配設されている。この対流制御板２３によって、炉本体２の内部空間４は、下側の原料室４１と上側の育成室４２とに仕切られている。
【００２７】
上記原料室４１には、育成用原料である天然水晶（ラスカ）５が収容されている。一方、育成室４２には、水晶育成棚Ｆに支持された複数枚の種子水晶６，６，…が収容されている。
【００２８】
また、この炉本体２の内部空間４には、本形態の特徴とする育成用溶液（アルカリ溶液）が充填されている。
【００２９】
−人工水晶育成動作の説明−
上述の如く天然水晶５及び種子水晶６が収容され、且つ育成用溶液が充填された育成炉１による人工水晶育成動作について以下に説明する。
【００３０】
この育成動作では、上記電気炉３によって炉本体２を加熱する。この加熱状態としては、育成室４２よりも原料室４１が高温となるように設定し、この温度差によって、育成用溶液を高温高圧の元で原料室４１と育成室４２との間を熱対流させる。本形態では、例えば、育成室４２の温度を３２０℃に設定し、原料室４１の温度を３６０℃に設定している。つまり、両室４１，４２の温度差を４０℃に設定することで熱対流を行わせている。尚、この両室４１，４２の温度及び温度差はこれに限るものではない。
【００３１】
これにより、原料室４１で溶解した天然水晶５が、育成室４２に達し、その際、冷却されて過飽和状態となって種子水晶６上に析出成長する。この動作を所定期間連続して行うことにより、所定の大きさの人工水晶が得られる。
【００３２】
図２は種子水晶を取り付ける構成を示す分解斜視図である。図中に水晶の結晶軸方位（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を示しており、以降の図面についても同様に示している。また図３は図２において組み立てた状態の短手方向断面図、図４は同長手方向側面図である。
【００３３】
種子水晶６は矩形のＺ板水晶であり、育成炉の鉛直方向に対して直角に位置するよう多数個支持されている。より詳しくは前記水晶育成棚Ｆには一対の支持具Ｆ１，Ｆ１が多数個所定の間隔を持って配置されており、当該支持具Ｆ１，Ｆ１間に種子水晶６が架設状態で支持されている。各支持具には位置決め用の段部Ｆ２，Ｆ２が形成されており、種子水晶の上面側には制御板７が種子水晶と密接して設置されている。制御板７は水晶被膜７ｂが表面に形成された鉄板（金属板）を用いているとともに、Ｘ軸方向の成長を規制する側壁７１を有している。
【００３４】
鉄板に水晶被膜を生成させる方法は、例えば図１に示すような育成炉により短期間の水熱合成により形成する。すなわち育成炉の原料室にはラスカを収納し、育成室には制御板の母材７ａを構成する鉄板を所定の間隔に吊り下げ、数日間水晶育成と同様の環境下におく。これにより鉄板の表面には薄い結晶化した水晶が析出し、表面に水晶被膜（結晶化した被膜）７ｂが形成された制御板７を得ることができる。このような手法はもちろん図６に示すような側壁を複数箇所に有する金属板にも適用できる。
【００３５】
制御板本体７０と側壁７１との角度は約８２度の鋭角に設定されている。種子水晶を前記支持具Ｆ１，Ｆ１に架設した後、制御板により種子水晶の上面を被覆し、当該制御板は図示しない係止具等により前記支持具Ｆ１，Ｆ１に固定される。
【００３６】
水晶育成を進めると図３，図４中点線で示すように種子水晶は主として制御板のないＺ軸方向に結晶成長するとともに、Ｘ軸方向にも成長する。このとき＋Ｘ軸側には側壁７１が形成され、当該側壁７１が鋭角に内倒しているので、角部Ｃに供給されるアルカリ溶液が制限される。このため、図４に示すように斜線で示した領域６ａが先に側壁７１に到達し、角部Ｃにまで人工水晶の成長が進むことがなくなる。これにより育成完了後の人工水晶と後工程における制御板との取り外し作業が容易となり、人工水晶に対する損傷を最小限にとどめることができる。
【００３７】
支持具の他の構成について図面とともに説明する。図６は分解斜視図、図７は図６を組み立てた場合の長手方向断面図、図８は同短手方向断面図である。この構成においては、上記実施の形態に対して制御板の構成が異なっている。すなわち制御板８は鉄板（金属板）を用いているとともに、Ｘ軸方向の成長を規制する側壁８１，８２を有している。制御板本体と側壁との角度は両者とも８８度である。これはＸ軸方向の両方に側壁が形成された構成であるので、種子水晶部分にはアルカリ溶液の供給が若干少なくなる構成である。従って上記実施の形態の場合よりも開構造に設定することにより、アルカリ溶液の供給を促進し、効率的な水晶育成を目指している。
【００３８】
図６に示すように、前記水晶育成棚Ｆには一対の支持具Ｆ１，Ｆ１が多数個所定の間隔を持って配置されており、当該支持具Ｆ１，Ｆ１間に種子水晶６が架設状態で支持されている。種子水晶の上面側には制御板８が種子水晶と密接して設置されている。当該制御板８は係止具等により前記支持具Ｆ１，Ｆ１に固定される。
【００３９】
このような構成によれば、Ｚ面の一方の成長面並びに−Ｘ面、＋Ｘ面の成長が規制された人工水晶を得ることができ、各規制された成長面は平坦な状態とすることができる。
【００４０】
次に制御板の側壁に突起を形成した構成について図面とともに説明する。図９人工水晶が育成された状態を示す制御板の短手方向断面図である。この構成においては、上記実施の形態に対して制御板の構成が異なっている。すなわち制御板９は鉄板（金属板）を用いているとともに、Ｘ軸方向の成長を規制する側壁９１を有している。当該側壁には種子水晶設置側に突出する突起９１ａが形成されている。当該突起は複数形成することが好ましく、成長した人工水晶が側壁に接触する状態を予測し、必要な部分に突起を形成することにより、人工水晶の成長形状を制御することもできる。また突起の大きさを変化させることによって、より精度よく人工水晶の成長形状を制御することも可能である。
【００４１】
図１０は側壁９１を有する制御板９に複数の突起を形成した例を示している。なお、図１０は＋Ｘ側から−Ｘ方向に向かって側面を見た図であり、６は種子水晶を示している。また突起は−Ｘ方向に突出するとともに、その大きさを変化させており、中央部分の突起９１ｂから端部に向かうに従って突起９１ｃ、９１ｄとそのサイズを大きく設定している。これにより人工水晶の成長形状を制御している。
【００４２】
図１１は側壁９１を有する制御板９に帯状に延びる突条９１ｅを形成した例を示している。なお、図１１も＋Ｘ側から−Ｘ方向に向かって側面を見た図であり、６は種子水晶を示している。当該突条により人工水晶の成長形状を制御している。
【００４３】
また突起と突条を組み合わせたり、また前述側壁の角度の調整と突起または突条の組み合わせ構成を採用することにより、効率的なアルカリ溶液（育成用溶液）供給の制御を行うことができる。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１によれば、制御板本体と側壁の角部の角度が鋭角であるため、特定の複数方向の結晶成長を抑制するとともに、前記角部にまで人工水晶が成長がおよばないようにすることができる。よって、実用領域が大きく、また成長した人工水晶と制御板との切り離しが容易で、かつ人工水晶の損傷の少ない、人工水晶育成用制御板及び当該制御板を用いた人工水晶の製造方法及び当該製造方法による人工水晶を得ることができる。
【００４５】
また請求項２によれば、側壁には内側に突出する突起または突条が形成されているので、特定の複数方向の結晶成長を抑制するとともに、前記角部にまで人工水晶が成長がおよばないようにすることができる。よって、実用領域が大きく、また成長した人工水晶と制御板との切り離しが容易で、かつ人工水晶の損傷の少ない、人工水晶育成用制御板及び当該制御板を用いた人工水晶の製造方法及び当該製造方法による人工水晶を得ることができる。
【００４６】
さらに請求項３によれば、制御板を金属で構成しているので、折り曲げ加工が容易であり、制御板本体と側壁の角度調整を自在に行うことができる。
【００４７】
請求項４によれば、上記各効果に加えて、金属板表面に生成された水晶被膜と育成された人工水晶は強固に固着することがなく、育成完了後の制御板が配置されたＺ成長面はほぼ種子水晶の平面状態を維持している。従って制御板からの剥離がきわめて容易で、剥離作業時において育成された人工水晶に破損を生じさせることがない。また種子水晶の平面状態を維持しているため、切断方位が確定しているきわめて平滑な面を得ることができるので、後工程の各種切断加工工程において基準面として用いることができる。
【００４８】
請求項５によれば、制御板本体と側壁との角度を鋭角にすることにより、角部における水晶成長を抑止する。また育成炉内では育成用溶液を熱対流させるが、育成溶液とともに不純物も熱対流する。上記構成によれば、育成する種子水晶の上方（多くの場合熱対流の上流側）に制御板を配置する構成であるので、種子水晶および結晶成長が進んだ人工水晶への不純物の沈着を防止する。従って不純物の少ない人工水晶を得ることができる。
【００４９】
請求項６によれば、請求項５による作用効果に加えて、成長した水晶は種子水晶が端面に位置するＺ軸方向に成長した人工水晶であるので、水晶の光学的特性等を阻害せず、光学部品に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】育成炉の内部構成を示す断面図
【図２】支持具を示す分解斜視図
【図３】図２により育成を行った状態の長手方向断面図
【図４】図２により育成を行った状態の短手方向断面図
【図５】角部の角度と人工水晶の成長を模式的に示した図
【図６】支持具の他の構成例を示す分解斜視図
【図７】図６により育成を行った状態の長手方向断面図
【図８】図６により育成を行った状態の短手方向断面図
【図９】制御板の他の構成例を示す断面図
【図１０】制御板の他の構成例を示す側面図
【図１１】制御板の他の構成例を示す側面図
【符号の説明】
１        人工水晶育成炉
２        炉本体
４        内部空間
５        天然水晶
６        種子水晶
７、８、９    制御板
７１，８１，８２、９１  側壁
９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄ    突起
９１ｅ    突条
Ｆ１      支持具
【図１】
0004719970.tif 000002
【図２】
0004719970.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004719970.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004719970.tif 000007
【図７】
0004719970.tif 000008
【図８】
0004719970.tif 000009
【図９】
0004719970.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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