JPH04238888A - フローティングゾーン法による酸化物単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、フローティングゾーン
法によって気泡等の欠陥がない単結晶を製造する方法に
関する。 【０００２】 【従来の技術】ルビー，サファイア等の単結晶をフロー
ティングゾーン法で製造するとき、たとえばアルミナを
１５５０〜１６５０℃の空気雰囲気中で焼結することに
よって得られた焼結体を原料とし、この焼結体の局部加
熱位置を連続的に変えることにより、単結晶を成長させ
ていた。たとえば、放物面鏡の一方の焦点にキセノンラ
ンプ等の光源を配置し、石英管等の内部に配置された原
料を他方の焦点に配置する。そして、光源からの熱線を
他方の焦点に集中させ、原料を２０００℃以上の高温に
加熱する。このとき、原料の加熱が均一に行われるよう
に、焼結体の上端及び下端をそれぞれ支持した上シャフ
ト及び下シャフトを回転させている。 【０００３】しかし、通常の焼結により得られた原料は
、多数のポアを含んでいる。このポアは、得られた単結
晶中に気泡として残留する。このような気泡の残留があ
ると、得られた単結晶の性質が劣化する。しかも、得ら
れた単結晶を光透過体等として使用するとき、分光度，
光透過率，直進性等に重大な悪影響を与える。また、宝
石等の装飾品としての用途にあっては、商品価値を極端
に低下させる原因となる。 【０００４】単結晶中に残留する気泡は、ポアが低減さ
れた原料を使用することによって少なくすることができ
る。たとえば、特開昭６０−８１０８５号公報では、１
７００℃以上の高温で焼結された焼結体，１０−３トー
ルの高真空で１６００℃以上の温度雰囲気中で焼結され
た焼結体，ホットプレスにより焼結された焼結体，酸化
雰囲気又は還元雰囲気中で１６００℃以上の温度で焼結
された焼結体等を単結晶製造用原料としている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】単結晶製造用原料とし
て、ポアが抑制された高密度の焼結体を使用すると、得
られた単結晶に含まれる気泡の割合が少なくなるが、完
全に気泡をなくすことは困難である。特に単結晶の育成
速度を大きくするほど、得られる単結晶に含まれる気泡
が増大する傾向にある。そこで、従来では気泡の残留を
抑え良質な単結晶の育成を図るために、育成速度を１ｍ
ｍ／時間程度にすることを余儀なくされていた。 【０００６】このように育成速度が極端に小さいため、
フローティングゾーン法による単結晶の製造は、非常に
生産性の悪いものであった。また、生産性の悪さが生産
コストに影響し、得られた単結晶を高価なものとしてい
る。 【０００７】本発明は、このような問題を解消するため
に案出されたものであり、得られる単結晶に気泡が残留
するメカニズムに推論を立て、このメカニズムが成り立
たない条件を確立することによって、大きな育成速度で
単結晶を製造する場合にも気泡の残留がない良質の単結
晶を得ることを目的とする。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明の単結晶製造方法
は、その目的を達成するため、集光加熱式フローティン
グゾーン法によって１５ｍｍ／時間以上の育成速度で酸
化物単結晶を製造する際、一方の放物面鏡の焦点に配置
したキセノンランプからの熱線が集中する他方の放物面
鏡の焦点に原料焼結体を配置し、前記原料焼結体を支持
する上シャフト及び下シャフトを回転させることなく、
酸化物単結晶の育成速度と同じ速度で前記原料焼結体を
下降させることを特徴とする。 【０００９】また、３ｒｐｍ以下の大幅に小さな相対回
転速度で原料焼結体を回転させるとき、回転停止した場
合と同様に、気泡が残留しない良質の酸化物単結晶が得
られる。なお、フローティングゾーン法におけるシャフ
ト回転は、上シャフト及び下シャフトをそれぞれ正方向
及び逆方向に回転させる方法が採用されている。そこで
、本発明においては、この回転を一方のシャフトに対す
る他方のシャフトの相対回転の速度で表す。たとえば、
上下のシャフトをそれぞれ１５ｒｐｍで正逆回転させる
とき、相対回転速度は３０ｒｐｍとなる。 【００１０】 【作用】従来の集光加熱式フローティングゾーンによっ
て酸化物単結晶を製造するとき、回転速度３０ｒｐｍ程
度で加熱帯にある原料焼結体を回転させている。この回
転は、熱線によって加熱された原料焼結体における固相
と液相との界面を整え、育成条件を一定に維持すると共
に、原料焼結体に対する集光加熱を均一化することを狙
ったものである。また、液相に存在している気泡に遠心
力が与えられて、原料焼結体から半径方向外向きに逸散
する作用も呈せられると、一部で考えられている。 【００１１】しかしながら、この育成条件下においては
、育成速度が１５ｍｍ／時間を超えるとき、得られた酸
化物単結晶に気泡が残留することが避けられない。本発
明者等は、この気泡残留の原因を次のように推論した。 【００１２】集光加熱された原料焼結体は、形成された
融液が凝固することにより単結晶が育成される。このと
き、固液界面近傍では、融液に溶け込んでいたガスは、
凝固しようとしている箇所から融液に向けて放散される
。しかし、育成速度を大きくするとき、ガスの放散量を
超えて、固液界面近傍の融液にガスが残留する。このガ
ス残留量が気泡の核ができる濃度を超えると、結晶中に
気泡として取り込まれる。 【００１３】原料焼結体の融液から単結晶を育成させる
とき、固液界面は、原料焼結体の軸方向に対して傾斜し
ている。このような固液界面に回転を与えるとき、特に
育成速度が大きな場合に気泡の取込みが顕著になる。こ
の説明を簡単にするため、図１のモデルを想定する。加
熱された原料焼結体は融液１となり、この融液１から単
結晶２が育成される。融液１と単結晶２との間の固液界
面３が図示するような面をもっているとすると、融液１
及び単結晶２が回転軸４を中心としてｅ方向に回転して
いるので、ａ面が凝固しようとしている箇所になり、ｂ
面が溶融しようとしている箇所になる。 【００１４】このとき、結晶育成速度が大きな場合、気
泡は、ａ面で単結晶２に取り込まれる。気泡を取り込ん
だ結晶は、単結晶２をｄ方向に送っていない場合、ｂ面
で再び融液となる。しかし、実際にはｄ方向の送りがあ
るため、気泡を取り込んだ結晶がｃ面よりも下に位置す
る。その結果、融液となることがなく、そのまま気泡を
取り込んだ結晶となる。なお、実際の固液界面は、図１
に示すような極端な形状ではないが、気泡の取り込みに
関する基本的な挙動は同様である。 【００１５】この推論の下に、結晶中に気泡が取り込ま
れることを抑制する手段として、密度を上げることによ
り気泡となる原因が少ない原料焼結体を使用すること、
気泡を取り込んだ結晶がｃ面以下にならないように結晶
育成速度を小さくすること、回転軸４回りの回転を停止
或いは遅くすること等が考えられる。しかし、高密度の
原料焼結体にあっても若干のポアが含まれることが避け
られず、気泡の核となる原因を皆無にすることはできな
い。また、結晶育成速度を小さく設定することは、生産
性の低下をもたらし、現実的でない。そこで、本発明に
おいては、ａ面で融液中の気泡が結晶に取り込まれるこ
とを抑えるため、回転軸４回りの回転を停止或いは遅く
する手段を採用した。具体的には、上シャフト及び下シ
ャフトを回転させることなく単結晶の育成を行ったとこ
ろ、後述の実施例で説明するように気泡の残留がない良
質の酸化物単結晶を製造できることが明らかになった。 【００１６】本発明で使用する原料焼結体としては、Ａ
ｌ２　Ｏ３　，ＳｉＯ２　，ＣｒＯ３　，ＭｇＯ，Ｔｉ
Ｏ２　，ＺｒＯ２　等の各種酸化物、或いはこれら酸化
物の混合物や複合酸化物等の原料を焼結したものである
。たとえば、ホワイトサファイアの単結晶を製造する場
合には、原料粉末としてＡｌ２　Ｏ３　を焼結したもの
が使用される。このとき、粒径が５０〜１００μｍの範
囲で広い粒度分布をもった球状の粉末を原料として使用
することが、焼結体の密度を高くし、残留気泡のない酸
化物単結晶を得る上で好ましい。 【００１７】原料粉末は、たとえばラバープレス等の粉
末成形機を使用し、０．　５〜５．　０トン／ｃｍ２　
程度の圧力で所定サイズの棒状に圧粉される。この圧力
が０．　５　　ン／ｃｍ２　より小さいと、圧粉体の密
度が不足し、焼結時に型崩れする傾向が強くなると共に
、必要とする密度及び形状をもつ焼結体が得られない。 また、５．　トン／ｃｍ２　を超える圧力は、粉末成形
機を大型化する原因となり、実用的でない。 【００１８】圧粉された原料粉末は、１６００℃以上の
温度で焼結される。この焼結温度が高温になるほど、得
られた焼結体の密度が向上する。焼結時間は、焼結温度
によって異なるが、焼結温度１６００℃では１０時間程
度，１７００℃では５時間程度とする。なお、焼結雰囲
気として酸素富化雰囲気を使用すると、焼結反応が促進
する。そして、これらの焼結条件を制御することにより
焼結体の密度を可能な限り高くすることが、残留気泡の
ない酸化物単結晶を得る上で好ましい。 【００１９】得られた原料焼結体は、集光加熱式フロー
ティングゾーン法に従った単結晶製造装置で加熱溶融さ
れ、酸化物単結晶となる。このとき、酸化物単結晶の育
成速度は、生産性を上げることから１５ｍｍ／時間以上
に設定される。育成速度が１５ｍｍ／時間以下であると
、所定長さの単結晶を製造するのに非常な長時間を要す
ることは勿論、原料焼結体の回転停止或いは低速回転に
よる効果が相殺される。また、育成速度の上限は、固液
界面に捕捉されることなく気泡が液相中を浮上するよう
に、３０ｍｍ／時間に設定することが好ましい。 【００２０】 【実施例】以下、ホワイトサファイアを集光加熱式フロ
ーティングゾーン法で製造した実施例を説明する。 【００２１】−実施例１− 【００２２】原料としては、粒径が５０〜１００μｍの
範囲にある純度９９．９９％のアルミナ粉末を使用した
。この原料粉末を１トン／ｃｍ２　の圧力で直径８ｍｍ
，長さ７０ｍｍの棒状圧粉体に成形した。次いで、１７
００℃，５時間の大気雰囲気中で焼結し、密度９８％の
原料焼結体を得た。 【００２３】この原料焼結体から、単結晶製造装置を使
用してホワイトサファイアの単結晶を製造した。単結晶
製造装置は、図２に設備構成の概略を示したものを使用
した。すなわち、加熱炉１０の放物面鏡１１の一方の焦
点に熱源としてキセノンランプ１２を配置し、他方の焦
点に石英管１３に挿入された原料焼結体１４を配置した
。原料焼結体１４は、上端及び下端それぞれを上シャフ
ト１５及び下シャフト１６で支持した。これらシャフト
１５，１６は、単結晶の育成に伴って矢印Ａ方向に下降
することができる。 【００２４】育成中の単結晶に雰囲気から不純物が取り
込まれないように、下方に設けたガス導入管１７からア
ルゴンガスを不活性ガス１８として石英管１３の内部に
送り込んだ。このときアルゴンガスの流量は、５Ｎｌ／
分に設定した。吹き込まれた不活性ガス１８は、上方に
設けられている排気管１９から系外に排出された。 【００２５】キセノンランプ１２から出射された熱線２
０は、放物面鏡１１で反射されて原料焼結体１４に集め
られる。これにより、原料焼結体１４が加熱され、溶融
帯２２が形成される。この加熱状態は、側方に設けた覗
き窓２３から観察した。なお、加熱炉１０の内部状況を
正確に把握できるように、覗き窓２３側にある加熱炉１
０の側壁に拡大レンズ２４を取り付けた。 【００２６】原料焼結体１４の加熱温度は、キセノンラ
ンプ１２の出力を変えることによって調整することがで
きる。また、覗き窓２３を介して光温度計等によって溶
融帯２２の温度を測定したところ、溶融帯２２の温度は
、約２１００℃であった。 【００２７】原料焼結体１４を搬送方向Ａに送るとき、
溶融帯２２は、放物面鏡２１で反射された熱線が原料焼
結体１４の上方位置に焦点を結ぶため、溶融帯２２が上
方に移動する。そして、溶融帯２２の下部で温度降下が
生じ、溶融帯２２から固相が析出し、酸化物単結晶２５
が育成される。本実施例においては、酸化物単結晶２５
の育成速度を３０ｍｍ／時間に設定し、この育成速度と
同一の速度で上シャフト１５及び下シャフト１６を搬送
方向Ａに移動させた。 【００２８】このようにして、長さ７０ｍｍの原料焼結
体１４から長さ６０ｍｍの酸化物単結晶を育成した。冷
却後、得られた酸化物単結晶を加熱炉１０から取り出し
、その内部組織を観察した。その結果、４００倍の倍率
で１ｃｍ２　の視野で気泡が全く観察されない良質の酸
化物単結晶であることが判った。 【００２９】比較のため、従来と同様に上シャフト１５
及び下シャフト１６を３０ｒｐｍ（相対回転速度６０ｒ
ｐｍ）で回転させる外は、実施例１と同様の条件下で酸
化物単結晶を製造した。得られた酸化物単結晶の内部組
織を観察したところ、同じく１ｃｍ２　の視野で１０〜
１００μｍの気泡が１０〜２０個観察された。 【００３０】この対比から明らかなように、上シャフト
１５及び下シャフト１６を回転させることなく酸化物単
結晶を育成するとき、原料焼結体に含まれているポアが
気泡として酸化物単結晶に残留することがなくなる。そ
のため、従来の方法に比較し育成速度を極めて大きくし
たにも拘らず、高品質の酸化物単結晶が得られた。 【００３１】−実施例２− 【００３２】本実施例においては、図２の単結晶製造装
置を使用し、上シャフト１５及び下シャフト１６をそれ
ぞれ正方向及び逆方向に回転させ、相対回転速度が酸化
物単結晶に残留する気泡の程度に与える影響を調べた。 なお、他の条件は、実施例１と同様にした。その結果、
回転速度と気泡残留の有無との間に、次の関係があるこ
とが判った。 　　上下シャフトの正，逆方向の回転速度　　　　相対
回転速度　　　　　　気泡の有無　　　　　　　　　　
　　　　１　　ｒｐｍ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　２ｒｐｍ　　　　　　観察されず　　　　　
　　　　　　　２．５ｒｐｍ　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　５ｒｐｍ　　　　　　　　　　〃　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５　　ｒｐ
ｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　１０ｒｐｍ　
　　　　　若干の気泡　　　　【００３３】 【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、フローティングゾーン法によって酸化物単結晶を製
造するとき、上シャフト及び下シャフトを回転させるこ
となく、或いは回転させる場合でも５ｒｐｍ以下の低速
で相対回転させながら、液相から酸化物単結晶の固相を
育成している。そのため、残留する気泡が実質的に皆無
となり、高品質の酸化物単結晶が１５ｍｍ／時間以上の
高育成速度で得られる。このように、本発明によるとき
、高品質の酸化物単結晶が生産性よく製造されるため、
酸化物単結晶を安価で提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　図１は、育成した酸化物単結晶に気泡が取
り込まれるメカニズムを説明するための図。

【図２】　　図２は、本発明実施例で使用した単結晶製
造装置を説明するための図。

【符号の説明】

１　　融液（液相） ２　　単結晶（固相） ３　　固液界面 ４　　回転軸 ａ　　気泡が結晶に取り込まれる面 ｂ　　気泡を取り込んだ結晶が融液に溶け出そうとして
いる面 ｃ　　断面全体が固相になっている面 １０　　加熱炉 １１，２１　　放物面鏡 １２　　キセノンランプ １３　　石英管 １４　　原料焼結体 １５　　上シャフト １６　　下シャフト １７　　ガス導入管 １８　　不活性ガス １９　　排気管 ２０　　熱線 ２２　　溶融帯 ２３　　覗き窓 ２４　　拡大レンズ ２５　　酸化物単結晶

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　集光加熱式フローティングゾーン法に
   よって１５ｍｍ／時間以上の育成速度で酸化物単結晶を
   製造する際、一方の放物面鏡の焦点に配置したキセノン
   ランプからの熱線が集中する他方の放物面鏡の焦点に原
   料焼結体を配置し、前記原料焼結体を支持する上シャフ
   ト及び下シャフトを回転させることなく、酸化物単結晶
   の育成速度と同じ速度で前記原料焼結体を下降させるこ
   とを特徴とする酸化物単結晶の製造方法。
2. 【請求項２】　　集光加熱式フローティングゾーン法に
   よって１５ｍｍ／時間以上の育成速度で酸化物単結晶を
   製造する際、一方の放物面鏡の焦点に配置したキセノン
   ランプからの熱線が集中する他方の放物面鏡の焦点に原
   料焼結体を配置し、酸化物単結晶の育成速度と同じ速度
   で前記原料焼結体を下降させると共に、５ｒｐｍ以下の
   相対回転速度で前記原料焼結体を軸芯周りに回転させる
   ことを特徴とする酸化物単結晶の製造方法。