JPH11199363A - 単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、雑晶の少ない良好な品質の単結晶
フェライトを製造することができるとともに、生産性も
優れた単結晶育成方法の提供を目的とする。 【解決手段】 本発明は、ルツボとして、下端部の種結
晶収納部と、該種結晶収納部の上に連続する上広がり状
のテーパ部と、該テーパ部の上に連続する直胴部とを具
備してなるものを用い、ルツボと加熱手段を相対移動さ
せてルツボの下部側の溶融部分を徐々に上方に移動させ
ると同時に溶融部分の下部側を徐々に冷却して溶融部分
に単結晶を育成し、ルツボのテーパ部と、種結晶収納部
とテーパ部の接続部の少なくとも一方において種結晶を
育成する際の育成速度の少なくとも一部を直胴部におい
て種結晶を育成する際の育成速度より遅くしたことを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、単結晶、例えば
磁気ヘッドなどの磁性材料に利用されるフェライト単結
晶を効率良く製造するための方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、単結晶、特にフェライト単結
晶を作成する場合に融液と固体結晶との界面を徐々に移
動させて種結晶から単結晶を育成するブリッジマン法と
称される方法が採用されている。

【０００３】このブリッジマン法を利用したフェライト
単結晶の製造装置としては、特開昭５５ー１２８８０１
号公報に示されるように、ルツボ内で溶融させたフェラ
イト原料（出発原料）を、垂直方向に沿って適当な温度
勾配をもった電気炉内に配置し、該電気炉内において、
前記ルツボを徐々に下降させることによって、前記ルツ
ボの下部から、溶融したフェライト原料を固化させて単
結晶化する技術が知られている。

【０００４】そして、この公報に示されるフェライト単
結晶の製造装置では、前記ルツボに対して、更にフェラ
イト原料の融液と平衡共存する組成のフェライト原料
（投入原料）を固体の状態で、融液に投入するように構
成しており、これによって以下に示すような問題が発生
していた。すなわち、固体状の投入原料が核となって、
雑晶が発生する場合があり、これによってフェライト単
結晶の歩留りが著しく低下するという不具合があった。
また、前記固体状の投入原料が、ルツボに対して斜めか
ら挿入される場合があり、これによって該投入原料の下
端部と、電気炉の特定の温度領域あるいはルツボとが正
確に位置決めされず、この点においても、単結晶の生成
にむらが生じるという不具合が発生していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明者らは、
ブリッジマン法を利用し、実用新案登録第２５４３８２
８号明細書、実用新案登録第２５５４５７２号明細書、
特許第２６３８７８７号明細書などに開示されているよ
うに、下窄まり状のルツボの底部に種結晶を配置し、こ
の種結晶上の溶融部にその上方からフェライト原料を溶
融滴下させつつ一定速度で徐々に溶融部分を上方に移動
させて単結晶を育成する装置を提供した。

【０００６】しかしながら、ブリッジマン法を利用する
単結晶の育成方法では、育成速度が速すぎると単結晶の
結晶品質が悪くなり易く、雑晶の発生率が高くなる問題
があった。このように雑晶を多く含むフェライトのイン
ゴットを製造してしまった場合、このインゴットからブ
ロックやバーを切り出して磁気ヘッド製造用に用いると
ブロックやバーの歩留まりが低下し、得られた磁気ヘッ
ドにおいて磁気コア部分の結晶配向性が乱れるために、
所望の磁気記録特性が得られなくなる問題がある。

【０００７】このような背景から本発明者らは、前述の
ブリッジマン法を利用した単結晶育成装置においてフェ
ライト単結晶を育成した場合の雑晶の発生機構について
研究したところ、ルツボ底部の下窄まり状部分において
種結晶が単結晶化してゆく場合に特に発生し易いことが
判明した。即ち雑晶とは、直径の小さな種結晶を利用し
て直径の大きな単結晶フェライトを製造しようとする際
に下窄まり状のテーパ部を備えたルツボを利用するため
に、このテーパ部において、種結晶と異なった方向に核
生成が起こり易くなる結果として生じるものであり、テ
ーパ部に生じた種結晶と異なった方向の生成核がそのま
ま成長して肥大化し、その後に育成される単結晶の品質
に悪影響を与えてしまうという問題がある。

【０００８】この発明は前記の事情に鑑みてなされたも
のであって、雑晶の少ない良好な品質の単結晶フェライ
トを製造することができるとともに、生産性も優れた単
結晶育成方法の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、加熱手段に近接して設けられた単結晶
の種結晶となる原料が貯留されたルツボを有する単結晶
製造装置を用いて行なう単結晶の製造方法であり、前記
ルツボとして、下端部の種結晶収納部と、該種結晶収納
部の上に連続する上広がり状のテーパ部と、該テーパ部
の上に連続する直胴部とを具備してなるものを用い、前
記ルツボと加熱手段を相対移動させてルツボの下部側の
溶融部分を徐々に上方に移動させると同時に溶融部分の
下部側を徐々に冷却して溶融部分に単結晶を育成し、ル
ツボのテーパ部と、種結晶収納部とテーパ部の接続部の
少なくとも一方において種結晶を育成する際の育成速度
の少なくとも一部を直胴部において種結晶を育成する際
の育成速度より遅くしたことを特徴とする。本発明にお
いて、前記ルツボ底部に収納した種結晶を基に単結晶を
育成する際に、ルツボ底部の種結晶の一部とルツボのテ
ーパ部内に収容した原料粒を溶融させてルツボのテーパ
部に原料融液を生成してから前記ルツボと加熱手段を相
対移動させて単結晶の育成を開始しても良い。更に本発
明において、前記ルツボの上方位置に吊り下げられて、
前記原料の融液と平衡共存する組成の原料により形成さ
れる原料棒とを有し、前記原料棒が前記加熱手段により
溶融させられて、前記ルツボ内に滴下される構成の短結
晶製造装置を用い、ルツボ上方の前記原料棒からルツボ
内に原料の融液を滴下することを特徴とするものでも良
い。

【００１０】本発明者らの研究によれば、雑晶の発生確
立が高いのは、種結晶よりも徐々に直径が大きくなるテ
ーパ部と、種結晶部からテーパ部に至る境界部分におい
てであり、これらの部分の育成速度が雑晶生成の大きな
要員となる。よって、このテーパ部における育成速度を
調整することが重要である。テーパ部での育成速度の少
なくとも一部を直胴部での育成速度よりも遅くすること
で雑晶の発生を抑制することができる。

【００１１】本発明では、前記テーパ部内の原料融液か
ら種結晶を育成する際の育成速度を６ｍｍ／時間以下、
前記直胴部において種結晶を育成する際の育成速度を２
〜１０ｍｍ／時間の範囲とすることが好ましい。更に本
発明において、単結晶としてＦｅ₂Ｏ₃とＭｎＯとＺｎＯ
を含むＭｎ-Ｚｎフェライトを用いることが好ましい。
これらの範囲であれば、テーパ部における雑晶の発生を
抑制することができ、直胴部における雑晶の発生並びに
結晶配向性の低下を抑制した上で効率良く単結晶の育成
ができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明するが、本発明がこの実施の形態
に限らないのは勿論である。まず、図１と図２を参照し
て本発明方法を実施するための単結晶製造装置の基本構
成について説明する。

【００１３】図１において符号１で示すものは垂直方向
（矢印ａ−ｂ方向）に沿って設けられた長尺なルツボで
ある。このルツボ１は、炉内管２によって下方から支持
されたものであり、その内部には出発原料である種結晶
とフェライトの融液が予め投入されている。このルツボ
１は、図２に拡大して示すように下端部に設けられた小
径の有底円筒状もしくは角筒状の種結晶収納部１ａと、
該種結晶収納部１ａの上部に連続して設けられた下窄ま
り漏斗状のテーパ部１ｂと、該テーパ部１ｂの上部に連
続して設けられた筒状の直胴部１ｃとから構成され、種
結晶収納部１ａにこの種結晶収納部１ａを満たす大きさ
の円柱状、もしくは角柱状の種結晶Ａが収納されてい
る。また、図１に符号４で示すものは円筒状の加熱装置
であって、垂直方向（矢印ａ−ｂ方向）に沿って所望の
速度で移動可能に設けられるとともに、前記炉内管２上
に固定されたルツボ１に対して相対的に移動できるよう
になっている。

【００１４】前記加熱装置４には、その移動方向である
矢印ａ−ｂ方向に沿って複数のヒータ群が設けられてお
り、これらヒータ群は、それぞれが３つの温度領域であ
る溶解部５、６、育成部７、保持部８に区分されてい
る。また、前記加熱装置４の上方位置であり、かつ前記
ルツボ１の上方には、前記ルツボ１内に投入するための
投入原料であるフェライトの原料棒９が吊り下げられて
いる。この原料棒９は、図示略の昇降装置に設けられた
ワイヤ１１に吊り下げられたものであって、その下端部
は前記ルツボ１の上端部のわずかに上方に配置されてい
る。

【００１５】なお、上記のように区分されたヒータ群の
温度領域においては、上部に位置する溶解部５、６が、
前記フェライトの融点（ｍｐ．１５７０〜１５９０℃）
より５０℃から１００℃ほど高い温度範囲に設定され、
また、中間部下側に位置する育成部７が、前記融点（ｍ
ｐ．１５７０〜１５９０℃）より１０℃から２０℃ほど
高い温度範囲に設定され、また、下部に位置する保持部
８が３００〜１３００℃の温度範囲に設定されている。
これらの温度領域の内、前記溶解部５、６は原料棒９を
溶解して一滴ずつルツボ１内に滴下するものであり、ま
た、前記育成部７はルツボ１内のフェライト原料３と原
料棒９を溶解したものから、フェライト単結晶を生成、
育成させるものであり、また、前記保持部８は生成した
フェライト単結晶を一定の温度に維持することにより、
該フェライト単結晶がその温度差により生じる歪みから
割れることを防止するものである。

【００１６】前述の昇降装置は、モータを駆動して、ワ
イヤ１１とともに原料棒９を垂直方向に上下移動させる
ものであって、モータによる昇降動作はコンピュータ等
により制御される。このコンピュータには、計量機によ
り検出された原料棒９の重量データが入力され、このコ
ンピュータは、この重量データを基にして原料棒９の下
端部が溶解されて減った長さを検出し（重量データを基
にして検出した原料棒９の溶解量と、該原料棒９が減っ
た長さとの関係は予め実験等により求めて記憶させてお
く）、該原料棒９の下端部が溶解されて減った長さ分だ
け、該原料棒９を降下させ、これにより該原料棒９の下
端部を、ヒータ群の溶解部５、６に対して常時位置合わ
せするものである。

【００１７】図１に示す構成の育成装置を用いて単結晶
を育成するには、まず、図２に示すように種結晶Ａをル
ツボ１の種結晶収納部１ａに収納し、更に種結晶Ａの上
のテーパ部１ｂに種結晶Ａと同一組成のフェライト原料
粒１２を投入する。この状態のルツボ１を加熱装置４の
内部に設置するとともに、ルツボ１の上方に原料棒９を
配置してルツボ１の加熱を開始する。

【００１８】加熱開始に際し、まず、種結晶Ａの上側半
分程度とフェライト原料粒１２を溶解部５、６で図３に
示すように溶解する。ここからルツボ１に対して加熱装
置４を徐々に上昇させるとともに、ルツボ１内の融液部
分にその上方のフェライト原料棒９からフェライト原料
棒９の融液を必要に応じて一滴ずつ滴下する。図３に示
す溶融状態においてルツボ１と加熱装置４との相対移動
が始まると、種結晶Ａと融液１３の界面部分において種
結晶Ａを基にして単結晶の育成が始まり、種結晶Ａの結
晶と整合性の良い結晶が優先的に結晶化して単結晶Ｂが
成長する。ここで生成される融液１３に原料棒９から融
液を滴下するので、原料棒９の組成はこの融液１３と同
じ組成としておく必要がある。

【００１９】ここで種結晶Ａを半分程度フェライト原料
粒１２とともに溶融させてから育成を開始するのは、結
晶方位を揃えるためである。

【００２０】テーパ部１ｂにおいて単結晶を育成してい
る間、好ましくは育成速度を６ｍｍ／時間以下、より好
ましくは０.５〜４ｍｍ／時間の範囲に制御する。この
テーパ部１ｂにおいて単結晶Ｂが種結晶Ａから成長する
場合に、特に雑晶が生じやすいのでこのテーパ部１ｂ
と、種結晶部収納部１０とテーパ部１ｂの接続部の少な
くともどちらか一方において単結晶の育成を行う場合に
前記の範囲でもできるだけ遅い育成速度とすることが好
ましいが、あまりに育成速度を遅くすると生産効率が悪
いので生産効率との関係で前記の範囲の育成速度とす
る。

【００２１】次に、加熱装置４が上昇するにつれて溶融
部分が徐々に上昇し、育成した単結晶Ｂの部分はテーパ
部１ｂを越えて直胴部１ｃに達するので、直胴部１ｃに
単結晶部分が到達したならば、加熱装置４の上昇速度を
上げて２〜１０ｍｍ／時間の範囲とする。ここで、テー
パ部１ｂでの育成速度よりも直胴部１ｃでの育成速度の
方を速くする。直胴部１ｃにおいては直径が同一であ
り、雑晶はテーパ部１ｂに比べて生じにくいので直胴部
１ｃでの育成速度を速くしても雑晶を生じるおそれは少
ない。以上説明のように雑晶の生じやすいテーパ部１ｂ
と、種結晶収納部１ａとテーパ部の接続部の少なくとも
どちらか一方での育成速度を遅くし、雑晶の生じにくい
直胴部１ｂでの育成速度を速くするならば、雑晶の生成
を抑制しつつできるだけ生産効率を高くすることができ
る。

【００２２】そして、以上のように構成された単結晶製
造装置で単結晶の育成を行うならば以下の（１）〜
（２）に示す効果が得られる。

【００２３】（１）フェライト原料の融液と平衡共存す
る組成の原料棒９を加熱装置４の溶解部５、６の付近に
吊り下げ、更に、この原料棒９をルツボ１に対して一滴
ずつ溶融して滴下させるようにしたので、例えば従来の
ように、固体状の投入原料が核となって、雑晶が発生す
ることが防止され、フェライト単結晶の組成を均一化さ
せることができる効果が得られる。

【００２４】（２）ルツボ１内で溶融したフェライト原
料の融液中に、加熱装置４の溶解部５、６により溶解さ
れた原料棒９を一滴ずつ滴下してゆき、これによってル
ツボ１内においてフェライト単結晶を順次生成されてゆ
くことができる。そして、本実施形態の場合、原料棒９
を溶融させるための溶解部５、６においてヒータの温度
が最も高く設定（フェライトの融点である１６００℃以
上に設定）され、かつ育成部７において温度が比較的低
く設定（フェライトの融点である１６００℃以下に設
定）されていることから、フェライト単結晶が生成され
ているルツボ１の下部において、該ルツボ１の成分であ
るＰｔなどが熱により溶け出すことを防止することがで
き、これによって製品としてのフェライト単結晶の品質
を向上させることができる効果が得られる。

【００２５】なお、本実施の形態において、ルツボ１内
に予め投入されるフェライト原料としては、例えばＭｎ
ーＺｎフェライト単結晶を作成する場合には、Ｆｅ₂Ｏ₃
が５４.１ｍｏｌ％、ＭｎＯが２５.３ｍｏｌ％、ＺｎＯ
が２０.６ｍｏｌ％の組成ものが使用され、このような
組成のフェライト原料を加熱装置４内で溶融し、更にこ
の溶融したフェライト原料を加熱装置４の温度変化によ
りその下側から徐々に固化させることによって、フェラ
イト単結晶を順次成長させて行くものである。また、前
記昇降装置に吊り下げられる原料棒９は、溶融したフェ
ライト原料が固化する際にＺｎが選択的に固化すること
により、成長が進むにつれて相対的にＭｎの組成が増加
することを防止するものであって、具体的には、例え
ば、Ｆｅ ₂Ｏ₃が５２.１ｍｏｌ％、ＭｎＯが２９.０ｍｏ
ｌ％、ＺｎＯが１８.９ｍｏｌ％の割合で含有されてい
る。

【００２６】

【実施例】Ｐｔ製のルツボの長さ３０ｃｍ、底部の有底
角筒状の種結晶収納部の長手方向と垂直な方向の断面寸
法４×４ｍｍ、長さ９０ｍｍ、テーパ部の長さ３０ｍ
ｍ、テーパ部斜面の長さ４２ｍｍのルツボを用い、種結
晶収納部にＦｅ₂Ｏ₃が５４.１ｍｏｌ％、ＭｎＯが２５.
３ｍｏｌ％、ＺｎＯが２０.６ｍｏｌ％の割合で含有さ
れた種結晶を収納し、この上のテーパ部にＦｅ₂Ｏ₃が５
４.１ｍｏｌ％、ＭｎＯが２５.３ｍｏｌ％、ＺｎＯが２
０.６ｍｏｌ％の割合で含有されたフェライト結晶の粉
砕物を投入し、種結晶の約半分とフェライト結晶の粉砕
物を溶融させてから加熱装置を上昇させてテーパ部にお
ける育成速度を３ｍｍ／時間にした。テーパ部の育成が
終了した時点で直胴部に育成が進行してから直胴部にお
ける育成速度を５ｍｍ／時間に設定して育成を続行し
た。直胴部において長さ２５ｃｍのフェライト単結晶を
育成した。直胴部で得られた単結晶の中央部の一部を長
さ１.５ｃｍだけウエハ状に切り出した試料について、
光像法を用いてウエハ状の試料の切断面の結晶状態のラ
ンダム計測を行ったところ、結晶軸配向性は概ね３゜以
下に抑えられていることが判明し、良好なフェライト単
結晶を製造できることが判明した。

【００２７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明方法
によれば、フェライト原料の融液と平衡共存する組成の
原料棒を加熱手段の内部に吊り下げ、更に、この原料棒
をルツボに対して溶融して滴下させるようにした単結晶
育成装置を用い、ルツボとして下端部の種結晶収納部
と、該種結晶収納部の上に連続する上広がり状のテーパ
部と、該テーパ部の上に連続する直胴部とを具備してな
るものを用い、加熱手段によりルツボの下部側の原料溶
融部分を徐々に上方に移動させて単結晶フェライトを育
成するとともに、種結晶とテーパ部内のフェライト原料
粒を溶融させて種結晶を育成する際の育成速度の少なく
とも一部を直胴部において種結晶を育成する際の育成速
度より遅くしたので、雑晶を生じていない結晶軸の揃っ
たフェライト単結晶を製造することができる。

【００２８】次に、ルツボ底部の種結晶の一部とルツボ
のテーパ部内に収容したフェライト原料粒を溶融させて
ルツボのテーパ部に原料融液を生成してからルツボと加
熱手段を相対移動させて単結晶の育成を開始するなら
ば、種結晶を基に種結晶収納部からテーパ部にかけて円
滑に単結晶育成を行うことができ、雑晶の少ない状態で
単結晶を育成できる。

【００２９】更に、テーパ部で種結晶を育成する際の育
成速度を６ｍｍ／時間以下、ルツボの直胴部において育
成速度を２〜１０ｍｍ／時間の範囲とするならば、フェ
ライト単結晶の育成に好適な育成速度とすることがで
き、雑晶の少ない結晶配向性の良好なフェライト単結晶
を確実に育成できる。更に、用いるフェライト原料とし
て、Ｆｅ₂Ｏ₃とＭｎＯとＺｎＯを含むＭｎ-Ｚｎフェラ
イトを用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明方法の実施に用いる単結晶育成装置の
一例を示す断面図。

【図２】 本発明方法の実施に用いるルツボの底部に種
結晶とフェライト原料粒を収納した状態を示す断面図。

【図３】 ルツボ底部でフェライト原料粒と種結晶の一
部を溶融した状態を示す断面図。

【図４】 ルツボ底部で単結晶を育成してる状態を示す
断面図。

【符号の説明】

Ａ・・・種結晶、Ｂ・・・単結晶、１・・・ルツボ、１ａ・・・種結
晶収納部、１ｂ・・・テーパ部、１ｃ・・・直胴部、４・・・加
熱装置、５、６・・・溶解部、７・・・育成部、８・・・保持
部、９・・・原料棒、１３・・・融液。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 和浩 東京都大田区雪谷大塚町１番７号 アルプ ス電気株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱手段に近接して設けられた単結晶の
   種結晶となる原料が貯留されたルツボを有する単結晶製
   造装置を用いて行なう単結晶の製造方法であり、 前記ルツボとして、下端部の種結晶収納部と、該種結晶
   収納部の上に連続する上広がり状のテーパ部と、該テー
   パ部の上に連続する直胴部とを具備してなるものを用
   い、 前記ルツボと加熱手段を相対移動させてルツボの下部側
   の溶融部分を徐々に上方に移動させると同時に溶融部分
   の下部側を徐々に冷却して溶融部分に単結晶を育成し、
   ルツボのテーパ部と、種結晶収納部とテーパ部の接続部
   の少なくとも一方において種結晶を育成する際の育成速
   度の少なくとも一部を直胴部において種結晶を育成する
   際の育成速度より遅くしたことを特徴とする単結晶の製
   造方法。
2. 【請求項２】 前記ルツボ底部に収納した種結晶を基に
   単結晶を育成する際に、ルツボ底部の種結晶の一部とル
   ツボのテーパ部内に収容した原料粒を溶融させてルツボ
   のテーパ部に原料融液を生成してから前記ルツボと加熱
   手段を相対移動させて単結晶の育成を開始することを特
   徴とする請求項１記載の単結晶の製造方法。
3. 【請求項３】 前記ルツボの上方位置に吊り下げられ
   て、前記原料の融液と平衡共存する組成の原料により形
   成される原料棒とを有し、前記原料棒が前記加熱手段に
   より溶融させられて、前記ルツボ内に滴下される構成の
   短結晶製造装置を用い、ルツボ上方の前記原料棒からル
   ツボ内に原料の融液を滴下することを特徴とする請求項
   １または２記載の単結晶の製造方法。
4. 【請求項４】 前記テーパ部内の原料融液から種結晶を
   育成する際の育成速度を６ｍｍ／時間以下、前記直胴部
   において種結晶を育成する際の育成速度を２〜１０ｍｍ
   ／時間の範囲とすることを特徴とする請求項１、２また
   は３記載の単結晶の製造方法。
5. 【請求項５】 単結晶としてＦｅ₂Ｏ₃とＭｎＯとＺｎＯ
   を含むＭｎ-Ｚｎフェライトを用いることを特徴とする
   請求項１、２、３、４のいずれかに記載の単結晶の製造
   方法。