(57)【要約】【課題】二重るつぼ法を用いたタンタル酸リチウム単結晶のようなアルカリ金属酸化物単結晶の製造装置において、作製される単結晶に気泡が発生しない条件を提供する。【解決手段】外側容器５の周壁３の内径をＲ[ｍｍ]、内側隔壁６の内径をｒ[ｍｍ]、単結晶棒１０の直径をＢ[ｍｍ]、外側容器５内の原料融液４の深さをＤ[ｍｍ]、導通通路７の合計断面積をＳ[ｍｍ２]、原料融液４中の単結晶成分のモル数をＭ１、および原料融液４中の溶媒成分のモル数をＭ２としたとき、ｒ≧１．４×Ｂ、およびＲ≧ｒ＋４０の各条件を満足するとともに、Ｓ≦｛（Ｍ１＋Ｍ２）／Ｍ１｝×｛１／（２Ｄ＋Ｒ）｝×４．０５×１００００の条件を満足するように設計する。【選択図】図１
2007308317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二重るつぼ法を用いたアルカリ金属酸化物単結晶の製造装置であって、
円筒状の内周面を与える周壁を有し、かつ軸線が鉛直方向に向くように配置された、原料融液を収容するための外側容器と、
前記外側容器の内部に前記外側容器と同心状に配置され、かつ前記原料融液の通過を許容する導通通路を下部に形成した、円筒状の内側隔壁と、
前記外側容器を、前記内側隔壁とともに、前記軸線まわりに回転駆動するための回転駆動手段と、
前記外側容器の前記周壁と前記内側隔壁との間に原料固体を供給するための原料供給機構と、
前記内側隔壁の内側に位置する前記原料融液から単結晶棒を引き上げるための引き上げ機構と
を備え、
前記回転駆動手段は、前記外側容器および前記内側隔壁を、所定時間ごとに、反転させまたは加速させることによって、前記外側容器および前記内側隔壁に接する前記原料融液に対して、せん断力が及ぼされるように制御され、
前記外側容器の前記周壁の内径をＲ［ｍｍ］、
前記内側隔壁の内径をｒ［ｍｍ］、
前記単結晶棒の直径をＢ［ｍｍ］、
前記外側容器内の前記原料融液の深さをＤ［ｍｍ］、
前記導通通路の合計断面積をＳ［ｍｍ２］、
前記原料融液中の単結晶成分のモル数をＭ１、および
前記原料融液中の溶媒成分のモル数をＭ２
としたとき、
ｒ≧１．４×Ｂ、およびＲ≧ｒ＋４０の各条件を満足するとともに、
Ｓ≦｛（Ｍ１＋Ｍ２）／Ｍ１｝×｛１／（２Ｄ＋Ｒ）｝×４．０５×１００００の条件を満足する、
アルカリ金属酸化物単結晶の製造装置。
【請求項２】
前記導通通路の合計断面積Ｓは、１ｍｍ２以上とされる、請求項１に記載のアルカリ金属酸化物単結晶の製造装置。
【請求項３】
タンタル酸リチウム単結晶の製造に適用される、請求項１または２に記載のアルカリ金属酸化物単結晶の製造装置。
【請求項４】
前記内側隔壁には、複数の前記導通通路が周方向に分布するように形成される、請求項１ないし３のいずれかに記載のアルカリ金属酸化物単結晶の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、たとえばタンタル酸リチウム単結晶のようなアルカリ金属酸化物単結晶の製造装置に関するもので、特に、二重るつぼ法を用いたアルカリ金属酸化物単結晶の製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この発明にとって興味ある技術として、特開平８−２９９４号公報（特許文献１）に記載されたものがある。この特許文献１には、アルカリ金属酸化物単結晶の製造装置ではないが、シリコン単結晶の製造装置が開示されている。この製造装置は、二重るつぼ法を用いるもので、円筒状の内周面を与える周壁を有し、かつ軸線が鉛直方向に向くように配置された、原料融液を収容するための外側容器と、外側容器の内部に外側容器と同心状に配置され、かつ原料融液の通過を許容する導通通路を下部に形成した、内側隔壁とを備えている。そして、内側隔壁の内側に位置する原料融液から引き上げられるシリコン単結晶棒の直径をＡ、内側隔壁の原料融液面での内径をＤ、融液面から導通通路に至る深さをｈ、外側容器に収容される原料融液量をＶＯＵＴ、および内側隔壁に収容される原料融液量をＶＩＮとしたとき、
Ｄ／Ａ＝１．５〜３．０
２ｈ／Ａ≧１
ＶＯＵＴ／ＶＩＮ＝０．４〜０．９
の各条件を満足するように設計される。特許文献１では、上述の条件を満足することにより、微小欠陥の少ないシリコン単結晶の育成が可能であるとされている。
【０００３】
特許文献１には、内側隔壁に形成される導通通路の断面積についての記載がない。しかしながら、直径の大きな単結晶棒を作製しようとする場合、外側容器の周壁と内側隔壁との間に供給する原料固体の単位時間あたりの供給量が比較的多くなり、供給された原料固体が十分に溶融しないまま、導通通路を通って内側隔壁内に入り、これが結晶成長界面に到達してしまい、作製された単結晶内に気泡がもたらされることがある。
【０００４】
特に、外側容器および内側隔壁が回転駆動され、所定時間ごとに、反転される場合、この反転時に、外側容器および内側隔壁に接する原料融液に対して、せん断力が及ぼされるが、このせん断力が原因となって、融液が内側隔壁の中心軸線に向かって流動するように強制されるため、上述した不都合がより生じやすい。
【特許文献１】特開平８−２９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、アルカリ金属酸化物単結晶の製造装置を提供しようとすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、二重るつぼ法を用いたアルカリ金属酸化物単結晶の製造装置に向けられるものであって、円筒状の内周面を与える周壁を有し、かつ軸線が鉛直方向に向くように配置された、原料融液を収容するための外側容器と、外側容器の内部に外側容器と同心状に配置され、かつ原料融液の通過を許容する導通通路を下部に形成した、円筒状の内側隔壁と、外側容器を、内側隔壁とともに、軸線まわりに回転駆動するための回転駆動手段と、外側容器の周壁と内側隔壁との間に原料固体を供給するための原料供給機構と、内側隔壁の内側に位置する原料融液から単結晶棒を引き上げるための引き上げ機構とを備え、回転駆動手段は、外側容器および内側隔壁を、所定時間ごとに、反転させまたは加速させることによって、外側容器および内側隔壁に接する原料融液に対して、せん断力が及ぼされるように制御され、外側容器の周壁の内径をＲ［ｍｍ］、内側隔壁の内径をｒ［ｍｍ］、単結晶棒の直径をＢ［ｍｍ］、外側容器内の原料融液の深さをＤ［ｍｍ］、導通通路の合計断面積をＳ［ｍｍ２］、原料融液中の単結晶成分のモル数をＭ１、および原料融液中の溶媒成分のモル数をＭ２としたとき、
（１）  ｒ≧１．４×Ｂ、および（２）  Ｒ≧ｒ＋４０の各条件を満足するとともに、
（３）  Ｓ≦｛（Ｍ１＋Ｍ２）／Ｍ１｝×｛１／（２Ｄ＋Ｒ）｝×４．０５×１００００の条件を満足することを特徴としている。
【０００７】
この発明に係るアルカリ金属酸化物単結晶の製造装置において、導通通路の合計断面積Ｓは、１ｍｍ２以上とされることが好ましい。
【０００８】
また、この発明は、特に、タンタル酸リチウム単結晶の製造に適用されることが好ましい。
【０００９】
この発明に係るアルカリ金属酸化物単結晶の製造装置において、内側隔壁には、複数の導通通路が周方向に分布するように形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、導通通路の合計断面積Ｓが上記式（３）のように制限されることにより、原料供給機構から外側容器の周壁と内側隔壁との間へと供給された原料固体を、十分に溶融させてから内側隔壁の内側へと到達させることができる。したがって、気泡のないアルカリ金属酸化物単結晶を製造することができる。
【００１１】
なお、上記式（３）によると、外側容器の周壁の内径Ｒを大きくするに従って、導通通路の合計断面積Ｓを小さくしなければならない、ということになる。これは、外側容器の周壁の内径Ｒが大きくなるほど、外側容器の周壁の周速が大きくなるため、結晶育成中において、外側容器を逆転させると、原料融液の、外側容器の中心に向かう流動、すなわち内側隔壁に向かう流動が大きくなり、そのため、導通通路の合計断面積Ｓを小さくしておく必要があるからである。
【００１２】
単結晶の育成を繰り返すと、すなわち、加熱および冷却を繰り返すと、内側隔壁に不所望な変形がもたらされることがあり、導通通路の断面積が小さい場合、これが塞がれてしまうことがある。導通通路の合計断面積Ｓが１ｍｍ２以上とされると、上記のような不都合を生じにくくすることができる。
【００１３】
この発明に係る製造装置において、内側隔壁に複数の導通通路が形成されていると、個々の導通通路の断面積をより小さくすることができる。したがって、外側容器の周壁と内側隔壁との間に供給された原料が内側隔壁の内側に入るまでの時間をより長くすることができる。したがって、内側隔壁の内側で原料が溶融状態にあることについて、より確実性が増す。また、上述のような複数の導通通路が内側隔壁の周方向に分布するように形成されていると、内側隔壁の内側に導入される原料の均質性をより向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、この発明の一実施形態によるアルカリ金属酸化物単結晶の製造装置１を示す断面図である。この製造装置１は、二重るつぼ法を用いるもので、たとえばタンタル酸リチウム単結晶の製造に用いられる。
【００１５】
製造装置１は、円筒状の内周面２を与える周壁３を有し、かつ軸線が鉛直方向に向くように配置された、原料融液４を収容するための外側容器５を備えている。
【００１６】
外側容器５の内部には、円筒状の内側隔壁６が外側容器５と同心状に配置されている。内側隔壁６の下部には、原料融液４の通過を許容する導通通路７が形成される。図２は、図１に示した内側隔壁６の線Ａ−Ａに沿う断面図である。図２によく示されているように、この実施形態では、内側隔壁６に、４つの導通通路７が周方向に等間隔に分布するように形成されている。
【００１７】
上述した外側容器５および内側隔壁６は、たとえばイリジウムから構成される。
【００１８】
製造装置１は、また、外側容器５の周壁３と内側隔壁６との間に原料固体８を供給するための原料供給機構を備えている。図１には、原料供給機構の一部としての原料供給管９が図示されている。
【００１９】
さらに、製造装置１は、内側隔壁６の内側に位置する原料融液４から単結晶棒１０を引き上げるための引き上げ機構（図示せず。）を備えている。
【００２０】
図示しない回転駆動手段によって、外側容器５は、内側隔壁６とともに、その軸線まわりに回転駆動される。図３には、この回転駆動の態様の一例が示されている。外側容器５および内側隔壁６は、図３に示すように、停止状態から最初の３０秒間で回転速度２ｒｐｍになるまで加速され、次の６０秒間、この回転速度が維持された後、次の３０秒間で減速され、停止状態となる。停止状態が１秒間維持された後、次の３０秒間で回転速度が−２ｒｐｍとなるまで逆方向に加速され、次の６０秒間、この回転速度が維持された後、次の３０秒間で減速され、停止される。そして、このような回転駆動の態様が繰り返される。
【００２１】
以上のように、外側容器５および内側隔壁６が所定時間ごとに反転されることによって、原料融液４に攪拌作用が及ぼされ、原料融液４の均質化が図られる。この反転時には、外側容器５および内側隔壁６に接する原料融液４に対して、せん断力が及ぼされる。このせん断力は、原料融液４を内側隔壁６の中心に向かって流動させるように強制する。なお、このようなせん断力は、上述した反転の場合に限らず、同方向に回転しながらも、所定値以上の加速度をもって加速される場合にも生じ得る。
【００２２】
上述した原料融液４の、内側隔壁６の中心に向かう流動は、原料固体８が十分に溶融しないまま、導通通路７を通って内側隔壁６の内側に導入されやすくし、これが結晶成長界面にまで到達してしまうと、作製された単結晶棒１０内に気泡がもたらされるといった不都合を招くことがある。このような不都合は、単結晶棒１０の直径が大きくなり、そのため、原料供給管９を通して供給される原料固体８の単位時間あたりの供給量が多くなるほど生じやすい。
【００２３】
そこで、この発明では、導通通路７の合計断面積に注目して、これを特定値以下に設定することにより、上述の気泡の発生を抑制できるとの仮定の下で、上記特定値を求めるべく、後述するような実験を実施した結果、次のような条件を見出した。
【００２４】
すなわち、外側容器５の周壁３の内径をＲ[ｍｍ]、内側隔壁６の内径をｒ[ｍｍ]、単結晶棒１０の直径をＢ[ｍｍ]、外側容器５内の原料融液４の深さをＤ[ｍｍ]、導通通路７の合計断面積をＳ[ｍｍ２]、原料融液４中の単結晶成分のモル数をＭ１、および原料融液４中の溶媒成分のモル数をＭ２としたとき、
（１）  ｒ≧１．４×Ｂ、および（２）  Ｒ≧ｒ＋４０の各条件を満足するとともに、
（３）  Ｓ≦｛（Ｍ１＋Ｍ２）／Ｍ１｝×｛１／（２Ｄ＋Ｒ）｝×４．０５×１００００の条件を満足すれば、単結晶棒１０において気泡の発生を抑制できることを見出した。
【００２５】
なお、上記導通通路７の合計断面積Ｓは、より具体的には、１００ｍｍ２以下とされることが好ましい。また、導通通路７の合計断面積Ｓの下限については、内側隔壁６の繰り返しの使用による変形が生じたとしても、導通通路７が塞がれてしまうことがないという観点から、１ｍｍ２とされることが好ましい。
【００２６】
前述した式（３）の条件は、タンタル酸リチウム単結晶を製造する実験において求められたものであるが、タンタル酸リチウム以外のアルカリ金属酸化物であっても実質的同様の挙動を示すことから、アルカリ金属酸化物全般について成立し得る条件である。
【００２７】
以下に、上記（３）の式で表される条件を求めるために実施した実験について説明する。
【００２８】
この実験では、図１に示すような製造装置１を用いた。ここで、外側容器５および内側隔壁６はイリジウム製であり、外側容器５の周壁３の内径Ｒは２００ｍｍであり、同じく高さは１５０ｍｍであり、内側隔壁６の内径は１６０ｍｍであり、同じく高さは１８０ｍｍであった。
【００２９】
また、内側隔壁６に形成される導通通路７としては、実験例１では、各々の高さが５ｍｍおよび幅が５ｍｍである４個の導通経路７を周方向に分布するように形成し、実験例２では、各々の高さが２０ｍｍおよび幅が２０ｍｍである８個の導通経路７を形成した。ここで、実験例１では、導通通路７の合計断面積Ｓは１００ｍｍ２となり、実験例２では、３２００ｍｍ２となった。
【００３０】
また、ＬｉＯ：Ｔａ２Ｏ５＝５５：４５の原料固体１５ｋｇを外側容器５内に投入し、高周波加熱により、この原料固体８を溶融した。ここで、外側容器５内の原料融液４の深さＤは１４０ｍｍとなった。そして、図３に示した回転駆動態様を採用しながら、外側容器５および内側隔壁６を回転駆動し、内側隔壁６の内側において、原料融液４に種結晶を接触させ、０．５ｍｍ／時の速度で種結晶を引き上げることにより、直径Ｂが８０ｍｍの単結晶棒１０を作製した。単結晶棒１０の作製中は、重量センサで結晶の重量変化量を計測し、これと同量のＬｉＯ：Ｔａ２Ｏ５＝１：１の組成の原料固体８を原料供給管９を通して供給した。
【００３１】
上述のようにして得られた単結晶棒１０の高さ５０ｍｍ分を、単結晶棒１０の引き上げ方向と垂直に切断し、その内部の気泡の有無を顕微鏡観察により調べたところ、実験例１では、気泡の発生が認められなかったが、実験例２では、単結晶棒１０の中心軸上で最も多く気泡が発生し、７８個／ｃｍ２であった。
【００３２】
次に、導通通路７の合計断面積Ｓを表１に示すように種々に変更し、上記と同様の方法によって、気泡の発生数を調査した。その結果が表１に示されている。
【００３３】
【表１】
2007308317.tif 000003
【００３４】
表１からわかるように、導通通路７の合計断面積Ｓを１００ｍｍ２以下とすれば、気泡が発生していない。
【００３５】
前述した実験例１は、式（１）、（２）および（３）で表される条件を満足している。すなわち、実験例１では、外側容器５の周壁３の内径Ｒは２００ｍｍであり、内側隔壁６の内径ｒは１６０ｍｍであり、単結晶棒１０の直径Ｂは８０ｍｍであり、外側容器５内の原料融液４の深さＤは１４０ｍｍであり、導通通路７の合計断面積Ｓは１００ｍｍ２であった。また、１５ｋｇの原料融液４中の単結晶成分（Ｔａ２Ｏ５）のモル数Ｍ１は約３１．３５モルであり、原料融液４中の溶媒成分（Ｌｉ２Ｏ）のモル数Ｍ２は約６．９７モルであった。
【００３６】
したがって、（１）  Ｒ≧１．４×Ｂ、および（２）  Ｒ≧ｒ＋４０の各条件を満足している。
【００３７】
また、（３）  Ｓ≦｛（Ｍ１＋Ｍ２）／Ｍ１｝×｛１／（２Ｄ＋Ｒ）｝×４．０５×１００００の条件については、この式の右辺に前述した数値を代入すると、｛（３１．３５＋６．９７）／３１．３５｝×｛１／（２８０＋２００）｝×４．０５×１００００となり、これを計算すると、１０３．１となる。他方、導通通路７の合計断面積Ｓは１００［ｍｍ２］であったので、この１００［ｍｍ２］は、この１０３．１［ｍｍ２］以下となり、上記式（３）の条件を満足することになる。
【００３８】
なお、特許文献１に記載された技術において、その図１および図４から類推すると、上記式（３）の左辺のＳはＳ＝４２００[ｍｍ２]となり、他方、右辺については、溶媒成分がないので、Ｍ２＝０となり、また、Ｄ＝１００[ｍｍ]およびＲ＝５３９ｍｍを代入して計算すると、５４．８[ｍｍ２]となり、この式（３）を満たさないことになる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の一実施形態による製造装置１を示す断面図である。
【図２】図１に示した内側隔壁６についての図１の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【図３】図１に示した製造装置１での外側容器５および内側隔壁６の回転駆動態様の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  製造装置
２  内周面
３  周壁
４  原料融液
５  外側容器
６  内側隔壁
７  導通通路
８  原料固体
９  原料供給管
１０  単結晶棒
【図１】
2007308317.tif 000004
【図２】
2007308317.tif 000005
【図３】
2007308317.tif 000006