JPH06239689A - 単結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】溶融原料から単結晶を成長させる方法におい
て、原料を供給しながら連続的に単結晶成長を行い、長
大で成分が均一な単結晶を製造する。 【構成】原料溶解ゾーン５と単結晶成長ゾーン６を別に
設け、溶解ゾーン５と単結晶成長ゾーン６のそれぞれの
溶融原料の温度を直接測定し、これらの温度がそれぞれ
一定の設定温度に一致するように独立に温度を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ブリッジマン法等を用
いる単結晶成長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ブリッジマン法を用いる単結晶成長方法
は、るつぼ内に溶融原料を収納し、これを適当な温度勾
配を有する炉内で移動させ、溶融原料を徐々に固化させ
て単結晶を成長させる方法である。従来、このような単
結晶成長方法は、炉温を目標温度分布に設定し、炉内各
所の壁又は雰囲気温度を測定し、これらの温度を目標に
一致させるように炉温制御すると共に、固体原料をるつ
ぼ中に収納し、このるつぼを高温区域を移動させて原料
を溶解し、さらに凝固温度に保った一定温度区域を移動
させて一方向に固化させて単結晶を成長させるものであ
った。

【０００３】この場合、溶解量を増加すると、高温で揮
発する成分等を含む場合、時間の経過と共に溶融原料の
成分組成が変化するという問題があるために、溶解量に
制限がある。従ってこのような方法では、成長させるこ
とができる単結晶の長さは、るつぼ中で溶解できる量に
限定される。このような、単結晶長さの制約を除いて、
長尺の単結晶を製造する技術は、特開昭５５−１２８８
０１号公報に開示されている。しかし、原料供給量のわ
ずかな変動でも溶融原料の性状に変化を与えるので、均
質な単結晶を製造することは困難であった。

【０００４】また従来の単結晶成長技術の基本的思想
は、固液界面近傍の炉温を一定に保つようにヒータを制
御し、るつぼを徐々に移動させて結晶を成長させるよう
になっている。ところが、炉内の雰囲気温度又は炉壁の
温度を一定に保持しても溶融原料の温度、結晶成長面の
温度が一定になるとは限らず、各種の外乱の影響によ
り、変動する。

【０００５】特開平２−３０９１７９号公報は、高温下
での等高温帯を幅広く保持できるとともに温度分布を任
意に調節することができる竪型電気炉を開示している。
この炉は図８中に示すように上段３１、中段３２、下段
３３に分割されており、それぞれ独立に温度制御できる
ようになっている。このような炉を用いて単結晶育成を
行うと、炉の雰囲気の温度制御の精度を高めることがで
きるとしても、単結晶の成長過程を直接制御することは
できない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、溶融原料か
ら単結晶を成長させる方法に改善を加え、原料を供給し
ながら連続的に単結晶成長を行い、長大で成分が均一な
単結晶を製造する単結晶成長方法を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的を達成
するための技術手段は、溶融原料から単結晶を成長させ
る方法において、 ａ）原料溶解ゾーンと単結晶成長ゾーンを別に設けるこ
と ｂ）原料溶解ゾーンに粉体原料を粉体及び焼結体状で供
給して溶解し、溶解した原料を単結晶成長ゾーンに供給
すること ｃ）溶解ゾーンと単結晶成長ゾーンのそれぞれの溶融原
料の温度を測定し、それらの温度がそれぞれ一定の設定
温度に一致するようにそれぞれ独立に温度を制御しつつ
結晶成長を行うこと を特徴とする単結晶成長方法である。

【０００８】

【作用】従来の単結晶成長方法は、炉の温度を一定に保
ち、この一定温度のもとにおいて固液界面の条件を一定
に保つことによって、均一な品質の単結晶を製造すると
いう基本的な技術思想に立脚している。本発明者らの研
究によれば、単結晶成長方法の温度制御において、電気
炉の炉体や電気炉内の雰囲気を一定に保っていても、結
晶及び融液の入ったるつぼの移動によって温度の変化に
敏感な結晶成長面では、温度変動が生じ、結晶成長速度
が不均一になることが知見された。この温度変動や結晶
成長速度の変動は、特に多成分系では、固相と液相の成
分に偏差を生じ、単結晶の成分にばらつきを生じる。

【０００９】また微細な原料を溶融原料の周囲に供給す
ることによって、結晶成長領域に影響を及ぼすことなく
連続的に操業しようとする従来方法は、相互に温度条件
が影響しあって、一定条件を保持することが困難であ
る。図２は原料ペレットを供給しながら長大な単結晶を
成長させる従来方法の説明図である。炉は、図２の左端
部に示したように、上段炉、中段炉、下段炉からなる３
段炉にその下部に補助炉を備えたものである。３段炉の
炉内温度分布は、図２の右端部に示してある。単結晶成
長工程が図２に左側から右側に順次描かれている。先ず
るつぼ初期位置ではるつぼは補助炉内のレベルにある。
炉を加熱して炉内温度分布が曲線（ａ）となったとき、
るつぼを中段炉のレベルに引き上げ、初期原料溶解を行
う。次に種結晶を溶解し、るつぼを下降して初期原料の
育成を行う。初期原料の育成が完了すると、原料ペレッ
トを添加して滴下育成を開始する。炉外から原料ペレッ
トを供給し、そのシュートの下端に滴下用の小さいるつ
ぼを備え、これを高温領域に保ち、ペレットを供給する
と、溶解してオーバーフローして、るつぼ内の溶融原料
に少しずつ移行する。このとき炉内温度分布は、滴下溶
融原料の影響及びるつぼ降下に伴い曲線（ｂ）に示す温
度分布に移行し、単結晶成長速度が遅くなり、さらにこ
の傾向が加速されて、溶融原料の厚さが増大し、温度分
布も曲線（ｃ）に至る。滴下終了すると、溶融原料の厚
さは減少し始め、ついに完全結晶化するに至る。このよ
うな結晶成長過程において、溶融原料の温度が変化する
と、溶融原料の深さが変化する。図４はＭｎ−Ｚｎ系の
フェライトの単結晶成長における溶融原料深さと液面付
近の温度との関係を示したものである。このように液相
の温度が変化し、溶融原料の量が変化すると液相と固相
の成分にずれが生じる。図３はＭｎ−Ｚｎ系フェライト
の状態図を示すもので、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトはＭｎ
Ｏ・Ｆｅ₂ Ｏ₃ とＺｎＯ・Ｆｅ₂ Ｏ₃ との２相系とする
ことができる。図３に示すような２相系では、液相線と
固相線が離れているので、結晶成長過程で液相と固相の
組成比が変化する。このため、図２に示すような、溶融
原料の深さが単結晶成長過程で変化する場合には成長し
た単結晶の長手方向における成分が変化することとな
る。

【００１０】本発明は、溶解ゾーンと結晶成長ゾーンと
を分離し、それぞれ独立に温度制御することによって、
相互の干渉を排除し、それぞれの温度を最適な一定温度
になり、溶融原料の深さも一定になるように制御する。
図５は炉内雰囲気温度又は炉体の温度を一定に制御する
場合に、溶融原料の温度がどのように変化するかを示し
たものである。例えば、図５中のＥで示した段階におい
て原料融解部の炉体温度Ａ曲線及び結晶成長面近傍の炉
体温度Ｄ曲線を一定値に保ったとき、溶解原料の温度は
Ｂ曲線のように漸増する。今、図中のＦで示した段階に
おいて原料融解部の炉体温度Ａ曲線を上昇させると、溶
解原料の温度はＢ曲線のように増加するとともに、結晶
成長面近傍の溶融原料の温度であるＣ曲線も上昇する。
そこでＧ段階で、結晶成長面近傍の炉体温度Ｄ曲線を下
降させると、溶解原料の温度Ｂ曲線もこの影響を受けて
漸減する。また、例えばＨ段階において原料融解部の炉
体温度Ａ曲線を下げると、溶解原料の温度はＢ曲線は下
がるが、同時に、結晶成長面近傍の溶融原料の温度であ
るＣ曲線も影響を受けて下降する。このように従来の、
炉内雰囲気又は炉壁の温度を制御する方法では、溶解部
の溶融原料の温度、結晶成長面の溶融原料の温度への相
互干渉を避けることができず、これらの温度を一定に保
つことは困難である。

【００１１】図６は、本発明における温度制御方法を示
したものである。本発明では、溶解原料の温度Ｂ曲線、
結晶成長面の溶融原料の温度Ｃ曲線が一定になるように
ヒータを制御する。この場合、炉壁の温度は図６中のＡ
曲線、Ｄ曲線のように変化するが、Ｂ曲線、Ｃ曲線は、
相互干渉もなくまたＡ曲線やＤ曲線の影響を受けない。
従って、炉の温度勾配を一定に保ち、結晶成長界面の近
傍の炉の温度を一定に保つ従来の手段では、決して除去
することができなかった相互干渉や外乱の影響を完全に
除去することができ、原料溶解、原料供給、結晶成長の
条件を厳密に一定に保つことができ、単結晶成長装置の
許容する限度まで、均質で長尺の単結晶を製造すること
が可能となった。

【００１２】以上のように、従来は、例えば結晶化温度
を下げるときは、原料溶解速度を考慮して条件を決めた
り、また原料融解速度を速くするために温度を上げる場
合にも、結晶化ゾーンの温度上昇による結晶成長への影
響を考慮して条件を決定していたものが本発明により独
自の条件決定が可能となりそれぞれ最適な条件で単結晶
の成長を行うことが可能となった。

【００１３】また溶融原料の単結晶成長面における温度
を固化温度に十分に近い最低の温度に制御することがで
き、一部成分の揮発の抑制にもつながる。このため、結
晶の品質が一定な長尺の単結晶を製造することができ
る。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例の単結晶成長方法の説
明図である。先ず、装置について説明する。単結晶成長
装置１は、るつぼ２内に溶融原料３を収納し、これをヒ
ータ７によって加熱した炉６内を下方に移動させ、るつ
ぼ２の下端に種結晶を配置して単結晶４を成長させる装
置である。炉は高さ方向に複数のブロックに分割され、
それぞれ独立に温度制御することができる。分割したブ
ロックには、それぞれ温度計ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、
ｇが配設されている。そしてこの分割ブロックは、原料
溶解ゾーン５と単結晶成長ゾーン６を別に設けている。
原料溶解ゾーンには溶解槽を備え、この溶解槽に粉体原
料を供給するシュート１４が設けられている。溶解槽で
溶解した原料は、溶解槽をオーバーフローして少量づつ
単結晶成長ゾーンに滴下して供給される。溶解ゾーンと
単結晶成長ゾーンのそれぞれの溶融原料の温度を測定す
る温度計１１、１３がそれぞれ一定の設定温度に一致す
るようにそれぞれ独立に温度を制御することができるよ
うになっている。

【００１５】以上の図１の装置を用いて、Ｍｎ−Ｚｎ系
フェライトの単結晶の製造に本発明を実施した。図７は
従来技術と本発明の実施例を比較したグラフである。従
来、直径６０ｍｍφの長さ２００ｍｍの単結晶を製造す
ることができたが、このような単結晶を製造したとき
の、成分の長手方向分布は図７のａに示すように変化
し、組成適合領域は長さ１６０ｍｍ程度であった。実施
例では、直径１００ｍｍφの長さ５００ｍｍの単結晶を
容易に製造することができ、この場合の組成適合領域は
長さ４５０ｍｍ程度であった。実施例では、理論的に
は、組成適合領域の長さは制限がなく、装置的に許容さ
れれば、いくらでも長いものを製造することができる。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、従来製造することがで
きなかった大きい直径の均一な組成の単結晶を、理論的
には無限の長さを製造することができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の単結晶成長方法を示す図であ
る。

【図２】単結晶成長方法の説明図である。

【図３】Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトの２成分系状態図であ
る。

【図４】溶融原料の深さと表面付近温度の関係図であ
る。

【図５】従来の温度制御の温度推移説明図である。

【図６】本発明の温度制御の温度推移説明図である。

【図７】本発明の効果を示す説明図である。

【図８】従来技術を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 単結晶成長装置 ２ るつぼ ３ 溶融原料 ４ 単結晶 ５ 原料溶解ゾーン ６ 単結晶成
長ゾーン ７ ヒータ １１、１２、１
３ 温度計 １４ シュート ２１ 比較装置 ２２ 設定装置 ２３ 炉温制御
装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶融原料から単結晶を成長させる方法に
   おいて、原料溶解ゾーンと単結晶成長ゾーンを別に設
   け、該原料溶解ゾーンに粉体原料を供給して溶解し、溶
   解した原料を単結晶成長ゾーンに供給し、溶解ゾーンと
   単結晶成長ゾーンのそれぞれの溶融原料の温度を測定
   し、該温度がそれぞれ一定の設定温度に一致するように
   それぞれ独立に温度を制御しつつ結晶成長を行うことを
   特徴とする単結晶成長方法。