(57)【要約】  【課題】  結晶成長の後期で結晶成長部の温度勾配が不足し、安定して大型の結晶を育成できなかった。  【解決手段】  原料を収容する坩堝５と、坩堝５の外側に配設された誘導コイル６と、先端に種結晶９が配置され、坩堝５内を回転可能な状態で上下に移動する引き上げ棒８と、坩堝５および引き上げ棒８を取り囲むように配設された炉壁１とを具備するとともに、坩堝５の外側面に配設された補助発熱体11を具備する単結晶育成装置である。補助発熱体11により坩堝５の温度勾配を結晶成長の初期から末期まで均一化することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を収容する坩堝と、該坩堝の外側に配設された前記坩堝の誘導加熱を行なう誘導コイルと、先端に種結晶が配置され、前記坩堝内を回転可能な状態で上下に移動する引き上げ棒と、前記坩堝および前記引き上げ棒を取り囲むように配設された断熱壁とを具備するとともに、前記坩堝の外側面に配設された補助発熱体を具備することを特徴とする単結晶育成装置。
【請求項２】
前記坩堝の前記外側面の断面形状が円形状であり、前記補助発熱体がリング状であることを特徴とする請求項１記載の単結晶育成装置。
【請求項３】
前記補助発熱体が前記坩堝の前記外側面を上下方向に移動可能であることを特徴とする請求項１記載の単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は例えばニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム等の単結晶を回転引き上げ法で製造する単結晶育成装置に関し、特に単結晶の長尺化および大口径化を安定して可能にする単結晶育成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム等の酸化物単結晶等の単結晶育成方法としては、一般に回転引き上げ法（チョクラルスキー法：ＣＺ法）が知られている。この従来の方法では、断熱壁の内部に坩堝と加熱器と単結晶の引き上げ棒とを設置し、坩堝の内部に収容した原料を加熱器で溶融するとともに、引き上げ棒の先端に設置した種結晶を原料の融液に浸し、回転させながら種結晶から単結晶を引き上げ育成するという方法である。
【０００３】
加熱器の構成としては、金属抵抗体等よりなるヒーターを坩堝の周りに設置し、そのヒーターを加熱することにより間接的に坩堝内の原料を溶融させるヒーター加熱方式が知られている。この構成においては、ヒーターと坩堝間の熱抵抗が大きいため、ヒーターで発生した熱を効率よく坩堝に伝えることができず、原料粉末を溶融させるためには、よりヒーターのパワーを上げ、ヒーター自身の温度をより高温にする必要がある。
【０００４】
しかしながら、ヒーター自身の温度をより高温にすると、ヒーター周囲の炉壁等の炉材を熱劣化させてしまい、その結果として、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム等の融点の高い単結晶の育成は困難であるという問題点があった。
【０００５】
その問題点を解決する手法として、誘導加熱方式が知られている。この従来の誘導加熱方式の単結晶育成装置について、図３を用いて説明する。図３は従来の単結晶育成装置の断面図である。図３において、アルミナセラミックス等の耐熱材を材料とした炉壁31と、その上部に載置された蓋部32とにより中空円筒状の箱体33が構成されており、その蓋部32の中央部にはこれを貫通する孔部37が設けられている。
【０００６】
この孔部37を通して、回転および上下移動可能な引き上げ棒38が配置されており、その下側の先端には種結晶39が固定されている。箱体33の内部中央には、原料を充填したイリジウム等の高融点金属よりなる坩堝35が、バブルアルミナセラミックス等の断熱材で構成された容器34の内部に設置されている。
【０００７】
坩堝35の上部にはイリジウム等よりなる略円筒状のアフターヒーター40が設置されており、育成後の引き上げた単結晶を徐冷する機能を有している。この単結晶育成装置においては、誘導コイル36に交流電圧を印加することで、電磁誘導により、坩堝35の表面に誘導コイル36に流れる電流と逆向きの渦電流が生じ、そのジュール熱により坩堝35が直接的に加熱され、坩堝35内に充填した原料粉末が融液となる。その後、引き上げ棒38を回転させながら下降させ、この引き上げ棒38に取り付けた種結晶39を融液の表面に接触させた後、非常にゆっくりとした速度で引き上げることにより、単結晶を育成することができる。
【０００８】
この方式では、白金やイリジウム等の高融点金属よりなる坩堝35の外側に誘導コイル36を設置し、この誘導コイル36に交流電圧を印加することで、坩堝35の表面に渦電流を発生させてそのジュール熱により直接的に坩堝35を加熱するため効率的な加熱が行なえ、坩堝35の周囲の炉壁31等を熱で損傷させることなく原料粉末を充分に加熱・融解することができ、酸化物単結晶の育成が可能である。
【０００９】
しかしながら、この図３に示す従来の単結晶育成装置においては、誘導コイル36による磁界が、坩堝35の上端と下端とに集中し、渦電流が坩堝35の底面の外周部と坩堝35の最上外周部とに集中してしまい、これらの部分で局所的な発熱が増大してしまうという問題点があった。単結晶の結晶性は、結晶成長速度に依存し、結晶成長速度は温度勾配に左右される。従って、安定して良好な単結晶を成長させるためには、結晶成長部の固液界面での温度勾配を一定に保つ必要がある。ところが、この従来の単結晶育成装置では、坩堝35の内部が全体的に高温である一方、坩堝35の上部が低温であるため、結晶成長の初期では、適当な温度勾配が付き安定な単結晶が得られるが、結晶成長の後期には、液面が低下し、結晶成長部が坩堝35の内部に下がりこむため、十分な温度勾配が取れず、安定して単結晶が得られなくなるという問題点があり、大型の単結晶は得られないという致命的な問題点を有していた。
【００１０】
この問題点の対策として、誘導加熱方式のＣＺ法による単結晶育成装置において、液面の低下に伴い坩堝と誘導コイルとを移動させて、溶融物の液面に対する両者の相対的な位置関係を保つようにすることが提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【００１１】
しかしながら、この方法においては、コイルと坩堝との位置関係を変化させることによって、磁束の加わる高さを変化させることはできても、坩堝の上端および下端で磁束が集中することには変わりはないため、坩堝内の温度分布を大きく変化させることはできず、その結果として、結晶成長の初期では適当な温度勾配が付き安定な単結晶が得られるが、後期には、結晶成長部の温度勾配が不足して、やはり安定な単結晶が得られないという問題点があった。
【特許文献１】特公昭58−25078号公報
【特許文献２】特公昭57−50757号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は以上のような従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、結晶成長の初期から後期まで、結晶成長部の温度勾配を一定に制御することができ、結晶成長速度を良好に制御して、大型で長い単結晶を安定して製作することができる単結晶育成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の単結晶育成装置は、原料を収容する坩堝と、この坩堝の外側に配設された前記坩堝の誘導加熱を行なう誘導コイルと、先端に種結晶が配置され、前記坩堝内を回転可能な状態で上下に移動する引き上げ棒と、前記坩堝および前記引き上げ棒を取り囲むように配設された断熱壁とを具備するとともに、前記坩堝の外側面に配設された補助発熱体を具備することを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の単結晶育成装置は、上記構成において、前記坩堝の前記外側面の断面形状が円形状であり、前記補助発熱体がリング状であることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の単結晶育成装置は、上記構成において、前記補助発熱体が前記坩堝の前記外側面を上下方向に移動可能であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の単結晶育成装置によれば、原料を収容する坩堝と、この坩堝の外側に配設された、交流電圧を印加することで前記坩堝の誘導加熱を行なう誘導コイルと、先端に種結晶が配置され、前記坩堝内を回転可能な状態で上下に移動する引き上げ棒と、前記坩堝および前記引き上げ棒を取り囲むように配設された断熱壁とを具備するとともに、前記坩堝の外側面に配設された補助発熱体を具備することから、この補助発熱体の位置を制御することによって、坩堝の表面の発熱密度分布を結晶成長に最適なように制御できるので、結晶成長の初期から末期まで結晶成長部の温度勾配を最適に保つことができ、その結果、大口径で長い単結晶を安定して育成させることができる。
【００１７】
また、本発明の単結晶育成装置によれば、従来の単結晶育成装置に対して坩堝の外側面に補助発熱体を配設することによって構成できるので、大幅な装置の変更を伴わずに、大型の単結晶を製作できる単結晶育成装置を提供することができる。
【００１８】
また、本発明の単結晶育成装置によれば、坩堝の外側面の断面形状が円形状であり、補助発熱体がリング状であるときには、誘導コイルによる磁束を補助発熱体に効果的に集中させて、これにより生じた電流を閉じた流れの渦電流として効率よく利用して発熱させるとともに坩堝を均等に加熱することができるので、補助発熱体による原料に対する均熱の効果を有効に発揮することができ、大口径で長い単結晶をより安定して製作することができる。
【００１９】
また、本発明の単結晶育成装置によれば、補助発熱体が坩堝の外側面を上下方向に移動可能であるときには、この補助発熱体の位置を結晶成長に合わせて移動させ、絶えず結晶成長部の下部に配置することによって、結晶成長部の上部を低温として、下部を高温とすることができるので、結晶成長の初期では適当な温度勾配が付き安定な結晶が得られるが、後期には結晶成長部の温度勾配が不足して安定な結晶が得られなくなるという問題点がなくなって、結晶成長の初期から、結晶が大きく成長して原料融液の液面が低下した結晶成長の末期まで、安定して結晶成長部の温度勾配を制御して最適に保つことができ、その結果、大口径で長い単結晶をより安定して製作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の単結晶育成装置は、原料を収容する坩堝と、この坩堝の外側に配設され交流電圧を印加することで前記坩堝の誘導加熱を行なう誘導コイルと、先端に種結晶が配置され、前記坩堝内を上下に移動する回転が可能な引き上げ棒と、前記坩堝および前記引き上げ棒を取り囲むように配設された断熱壁とを具備するとともに、前記坩堝の外側面に配設された補助発熱体を具備するものである。この補助発熱体としては、例えば、坩堝の外側面を取り巻くように導電体から成るリング状の突起部を形成することにより、その突起部に誘導コイルによる磁界が集中して大きな渦電流が突起部に生じ、補助発熱体として機能させることができる。その結果、突起部の発熱量がその周囲に比べて大きくなるため、この突起部を補助発熱体として設けた坩堝の外側面の温度が周りに比べて上昇することとなる。そして、この補助発熱体の位置を、結晶成長に合わせて原料の融液の液面に対応させて移動させ、絶えず結晶成長部の下部に配置することで、結晶成長部の上部を低温とし、下部を高温とすることができるので、結晶成長の初期から、結晶が大きく成長し原料の融液の液面が低下した結晶成長の末期まで、安定して結晶成長部の温度勾配を制御することができる。その結果として、大口径で長い単結晶を安定して製作することができる単結晶育成装置となる。
【００２１】
以下、図面を参照しつつ本発明の単結晶育成装置を詳細に説明する。図１は本発明の単結晶育成装置の実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、１は耐熱材を材料とした炉壁であり、５は坩堝、６は誘導コイル、８は引き上げ棒、11は坩堝５の外側面に配設された補助発熱体である。
【００２２】
図１に示す本発明の単結晶育成装置において、アルミナセラミックス製の耐熱材を材料とした断熱壁としての炉壁１とその上部に載置された蓋部２とにより中空円筒状の箱体３が構成されており、その蓋部２の中央部にはこれを貫通する孔部７が設けられている。この孔部７を通して、回転および上下移動が可能な引き上げ棒８が配置されており、その先端には種結晶９が固定されて配置されている。
【００２３】
坩堝５の上部には、アフターヒーター10が設置されており、これは結晶育成後の引きあがった単結晶を徐冷する機能を有している。箱体３の内部の中央には原料を充填した、白金やイリジウム等の高融点金属よりなる略円筒形状の坩堝15が、バブルアルミナセラミックス等の断熱材で構成された容器４を介して設置されている。
【００２４】
また、坩堝５の外側、この例では容器４が設置された箱体３の周囲に、坩堝５の誘導加熱を行なう誘導コイル６が配設されている。
【００２５】
そして、本発明の単結晶育成装置においては、坩堝５の外側面に、これを取り囲むように例えばリング状の補助発熱体11が配設されている。また、この補助発熱体11は、図示しない機構により、坩堝５の外側面を上下方向に移動できるようになっている。
【００２６】
この単結晶育成装置においては、誘導コイル６に交流電圧を印加することで、坩堝５の表面に渦電流が生じ、そのジュール熱により坩堝５が直接的に加熱され、坩堝５内に充填された原料は融液となる。その後、引き上げ棒８を回転させながら下降させ、この引き上げ棒８の先端に配置された種結晶９を原料の融液の表面に接触させた後、引き上げることにより、結晶育成を開始することができる。
【００２７】
このとき、坩堝５の発熱は、坩堝５の角の部分と補助発熱体11とで主に起こるため、坩堝５内の温度分布は、補助発熱体11より下で高温となり、補助発熱体11より上で低温となる。したがって、この補助発熱体11を、結晶成長部である固液界面の下に位置するように、結晶成長に伴い坩堝５の外側面に沿って上下方向に移動させることで、結晶成長の経過に依存せず、結晶成長部で絶えず適当な温度勾配が得られるようになり、従来の単結晶育成装置におけるように結晶成長の後期で十分な温度勾配が得られず安定して長い単結晶が得られないという問題点がない、大口径で長い単結晶を安定して製作することができる単結晶育成装置となる。
【００２８】
次に、本発明の単結晶育成装置の構成に基づく作用を図面を用いて模式的に説明する。図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来の単結晶育成装置および本発明の単結晶育成装置における、誘導コイルによる坩堝の周囲の磁界と渦電流の様子を示す模式図である。なお、図２において、図１および図３と同様の箇所には同じ符号を付してある。
【００２９】
まず、従来の単結晶育成装置においては、図２（ａ）に示すように、誘導コイル36に交流電圧を印加することによって、誘導コイル36を取り巻くように磁界が生じる。これに対し、導体で構成された坩堝35の外側面では磁界がほぼ平行になり、坩堝35の上端（Ａ部）および坩堝35の下端（Ｂ部）では、その幾何学的形状の特徴により、磁界が集中することとなる。そして、坩堝35の導体にはこの磁界の時間的変化を打ち消す方向に渦電流が生じるため、渦電流はＡ部とＢ部とに集中してしまい、そのため、そのジュール熱による発熱もＡ部とＢ部とに集中し、坩堝35の内部は全体的に高温となる。結晶成長の初期では、固液界面が坩堝35の内部の上方に位置し、坩堝35の上方が低温であるため、適当な温度勾配ができ、良好な結晶を育成することができるが、結晶が成長した後期には、固液界面が坩堝35の内部の深くまで低下し、適当な温度勾配がつかなくなるため、安定して良好な結晶を育成することが困難となる。
【００３０】
これに対して、本発明の単結晶育成装置によれば、図２（ｂ）に示すように、誘導コイル６に交流電圧を印加することによって、誘導コイル６を取り巻くように磁界が生じる。この誘導コイル６によって生じた磁界は、従来の単結晶育成装置と同様に、坩堝５の上端（Ａ部）および坩堝５の下端（Ｂ部）に集中するが、本発明の単結晶育成装置では坩堝５の外側面に突起部（Ｃ部）を形成するように補助発熱体11を有しており、この補助発熱体11（Ｃ部）にも磁界が集中する。そのため、補助発熱体11（Ｃ部）での温度が周りに比べて上昇することとなる。そして、この補助発熱体11の位置を、結晶成長に合わせて坩堝５の外側面に沿って上下方向に移動させ、絶えず結晶成長部の下部に配置することによって、常に結晶成長部の上部で低温とし、下部で高温とすることができるので、結晶成長の初期から、結晶が大きく成長し原料の融液の液面が低下した結晶成長の末期まで、安定して結晶成長部の温度勾配を制御することができ、その結果として、大口径で長い単結晶を安定して製作することができる。
【００３１】
本発明の単結晶育成装置におけるこのような補助発熱体11は、導電体で構成され、坩堝５の外側面から突出していれば、誘導コイル６からの磁界の集中の効果による発熱が得られるので、特にその形状が限定されるものではない。すなわち、その断面形状は、図１および図２（ｂ）に示した例のように三角形に限定されるものではなく、矩形，台形，円形，半円形，半楕円形，多角形等でもよい。ただし、誘導コイル６からの磁界をより効率よく集中させるためには、突起部となる部分の先端は尖った形状となっていることが望ましく、突起部の先端の断面形状は、半円径や楕円形あるいは曲面よりは、よりシャープな三角形や四角形が望ましい。
【００３２】
また、本発明の単結晶育成装置によれば、坩堝５の外側面の断面形状が円形状であり、その外側面に配設された補助発熱体11がリング状であるときには、補助発熱体11からなる突起部への磁束の集中により生じた電流を効率よく閉じた流れの渦電流として利用できるとともに坩堝５を均等に加熱することができるために、補助発熱体11の発熱による原料の均熱の効果をより有効に発揮させることができ、その結果、大口径で長い単結晶をより安定して製作することができる。
【００３３】
また、補助発熱体11がリング状である場合に、その形状は円形の他にも矩形，三角形，多角形であってもよいが、それらの場合には坩堝５の外側面の断面形状もそれに合わせた形状としておくことが望ましい。ただし、補助発熱体11で均一な発熱が得られ、その発熱を坩堝５に効率よく伝えるためには、補助発熱体11を円形のリング状とするとともに、坩堝５の外側面の断面形状も円形状とすることが好ましい。
【００３４】
また、リング状の補助発熱体11の内周面と坩堝５の外側面とは接触させることが、補助発熱体11で発生させた熱を坩堝５を介して原料に効率よく伝える上では好ましいが、補助発熱体11の上下方向の移動を容易にするために、熱の移動を大きく妨げない程度の微小な隙間を補助発熱体11と坩堝５との間に設けてもよい。
【００３５】
また、本発明の単結晶育成装置によれば、補助発熱体11の坩堝５の外側面からの高さは１ｍｍ乃至50ｍｍとしておくことが好ましい。これにより、突起部としての補助発熱体11で大きな磁束の集中が得られ、その磁束の集中部で発生した熱を坩堝５を介してより有効に原料の加熱に寄与させることができ、その結果、大口径で長い単結晶を安定して製作することができる。補助発熱体11の坩堝５の外側面からの高さが１ｍｍ未満であると、補助発熱体11への磁界の集中がほとんど起こらなくなり、補助発熱体11での発熱の効果が弱くなってしまう傾向にある。また、補助発熱体11の高さが50ｍｍを超えて高くなると、大きな磁界集中により、大きな発熱が得られるが、高さが増したことで補助発熱体11の発熱部（補助発熱体11の先端部）から根本（坩堝５の外側面）までの熱抵抗が大きくなり、補助発熱体11で発生した熱を効率よく原料に伝えられなくなる傾向がある。したがって、補助発熱体11の坩堝５の外側面からの高さは１ｍｍ乃至50ｍｍであることが望ましい。
【００３６】
また、本発明の単結晶育成装置によれば、補助発熱体11が坩堝５の外側面を上下方向に移動可能であるものとしたときには、補助発熱体11の位置を結晶成長に合わせて上下方向に移動させ、絶えず結晶成長部の下部に配置することで、常に結晶成長部の上部で低温とし、下部で高温とすることができるので、結晶成長の初期から、結晶が大きく成長して原料の融液の液面が低下した結晶成長の末期まで、安定して結晶成長部の温度勾配を所望の状態に制御することができ、その結果として、大口径で長い単結晶をより安定して製作することができる。
【実施例】
【００３７】
次に、本発明の単結晶育成装置について具体例を説明する。
【００３８】
まず、多孔質アルミナセラミックスよりなる耐熱材により炉壁１および孔部７のあいた蓋部２を製作し、それらを組み合わせて縦80ｃｍ×横80ｃｍ×高さ100ｃｍの箱体３を作製した。その内部に、バブルアルミナセラミックスよりなる断熱材で製作した容器４を介して、イリジウムよりなる坩堝５を設置した。坩堝５の寸法および形状は、直径15ｃｍ×高さ20ｃｍの底を閉じた円筒形状とした。そして、坩堝５の外側面には、内径が15.1ｃｍ、外径が17ｃｍであり、底辺の長さが２ｃｍの断面が三角形のリング状の補助発熱体11を設置し、坩堝５の外側面において上下方向に移動できるようにした。
【００３９】
なお、比較として、同一寸法の坩堝で側面に補助発熱体が無いものについても、同一の箱体の内部に設置して比較を行なった。
【００４０】
そして、坩堝５の外側を取り巻くように設置された巻き数が９回のスパイラル状の誘導コイル６に18ｋＨｚの周波数で電流が130Ａおよび電圧が170Ｖの交流を印加して坩堝５を加熱し、坩堝５中に充填したニオブ酸リチウムの原料粉末を融解し、原料融液とした。
【００４１】
その後、ニオブ酸リチウムの種結晶９を取り付けた引き上げ棒８を蓋部２の孔部７から挿入し、原料融液の表面に種結晶９を接触させた後、引き上げ棒８を回転しながら結晶の引き上げを行なった。このとき、補助発熱体11はその位置が常に結晶成長部の下になるように、結晶育成中にその高さを制御した。結晶が引き上がると、冷却のため一定時間育成炉の内部で保持した後、その単結晶を取り出した。育成した単結晶は、どちらの坩堝の場合も、直径が10.5ｃｍで長さが12ｃｍであった。
【００４２】
これらの単結晶についてその特性を評価したところ、本発明の単結晶育成装置で引き上げたニオブ酸リチウムの単結晶は、その全体にわたって均一な単結晶が生成されており、その結晶性に全く問題はなかった。しかし、補助発熱体の無い坩堝を使用した従来の単結晶育成装置で引き上げた単結晶は、結晶の下部で直径が大きくばらついていて、しかも、結晶の下部で多結晶が生じており、その部位から引き上げ方向にクラックが生じていた。
【００４３】
この結果から、本発明の単結晶育成装置によれば、原料の融液の温度分布を低減させることができ、これにより、原料の融液の表面での温度分布を減少させることができるため、大型の単結晶を育成する場合でも単結晶の各部位を均一な熱的条件で育成でき、その結果、結晶全体にわたって、均一な特性を有する単結晶を育成できる単結晶育成装置となることが確認できた。
【００４４】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更・改良を施すことは何ら差し支えない。例えば、補助発熱体として複数のリング状補助ヒータを坩堝の外側面に設けてもよい。この場合、より細かな温度分布の制御および温度勾配の制御が可能になり、大型の結晶育成が安定して可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の単結晶育成装置の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来の単結晶育成装置および本発明の単結晶育成装置における誘導コイルによる坩堝の周囲の磁界と渦電流の様子を示す模式図である。
【図３】従来の単結晶育成装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１：炉壁（断熱壁）
２：蓋
３：箱体
４：容器
５：坩堝
６：誘導コイル
７：孔
８：引き上げ棒 
９：種結晶
10：アフターヒーター
11：補助発熱体
【図１】
2005067989.tif 000003
【図２】
2005067989.tif 000004
【図３】
2005067989.tif 000005