JPS602876A - 非金属無機化合物の溶融・晶出用冷ルツボ - Google Patents

非金属無機化合物の溶融・晶出用冷ルツボ

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JPS602876A
JPS602876A JP59087924A JP8792484A JPS602876A JP S602876 A JPS602876 A JP S602876A JP 59087924 A JP59087924 A JP 59087924A JP 8792484 A JP8792484 A JP 8792484A JP S602876 A JPS602876 A JP S602876A
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melt
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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】 本発明は冷媒かなかを流れる金属管の形態の冷却された
ルツボ壁および冷媒がなかを流れるルツボの底を具え、
前記金属管と前記ルツボの底とは機械的に連結されてお
り、さらに前記ルツボ壁を取り巻いていて高周波エネル
ギーを前記ルツボの内容物に加えることかできる第1誘
導コイル、並ひに前記ルツボ壁を取り巻いている前記第
1誘導コイルとは無r’A I系に切り換えることがで
きて前記ルツボの底の下方に配置されている第2誘導コ
イルを具える非金属無機化合物の溶融・晶出用冷ルツボ
(Ca1d crucible)に関するものである。
さらに本発明は希土類金属/ガリウムガーネットをベー
スとする融液から単結晶を成長させるために面記玲ルツ
ボを使用することに関するものである。
冷ルッ11・は、誘導コイルから被加熱拐料に電磁界を
直接かけるこ、と【こよって単結晶成長用出発材料を溶
融づるいわゆるスカル(skull )溶融法を実施す
のに適している。ルツボどじでは、互にすぐそばに円形
に配置されている水冷鋼管が使用されている。ルツボの
底は水冷金属板または数個の鋼管からなり、円筒形のル
ツボ壁の周囲には高周波コイルが設(プられている。電
磁界は鋼管の間のみぞ孔を通ってルツボの内部に入る。
ががるルツボは、例えば、1978年North トl
 of 1andPUIII 、Comp 、発行、 
E 、K alclis V&l Current T
 opics in M aterials3cien
ceJ 第1 W中のr S yrl+esis an
dCrysta l Q ro*(↑h Of Rer
ractoryMaterials by RF Me
l[ing in aCOI(I Cont旧旧〕1゛
」に記載されている。
かかる既知の冷ルツボの操作を例(二ついて説明する。
溶融するために(イ利を粉末形態でルツボ内にほぼ満た
ザ。先ず伝導性の小さい酸化物を予熱する必要がある。
このために1は、溶融すべき酸化物に相当する金属の部
片を使用し、かがる金属片を酸化物粉末中に埋設する。
電磁界は先ず誘導された渦電流によって金属片を加熱し
、次いで金属片がすぐ近くの酸化物粉末を溶融する。高
周波コイルの電磁界は融液の導電性が大きいため生成融
液中に直接式ることができる。高周波電力を増大するこ
とにより酸化物粉末は融液がルツボ壁の近くに達するま
で連続してさらに溶融する。水冷されているルツボの内
側表面は、前記内側表面と熱融液との間に同相状態の緻
密な半融層が生成し、この層がルツボを融液による侵食
から保護することを保証する。予熱のために用いる金属
は空気からの酸素によって溶融すべき酸化物に加えられ
る。
例えば、AJ2203単結晶をかかる既知のルツボによ
って成長させた。このために、Aρ203融液にサファ
イアの種晶を加えた。種晶を10〜30m m /時の
速度で融液の表面から引き上げることにより、長さ1 
G 0 nl Il+以下、直径35 m m以下のA
JQ203単結晶を製造することができた。
既知のルツボによって完全な結晶を成長させることがで
きるのは例外的な場合のみであることが分っている。回
動は特に融液の粘度が小さい場合に生ずることがある。
例えば、乱れた磁束線(turburent Nux 
1ines )が融液の表面が観察されることがあり、
これは高周波磁界が融液中で吸収されることにより生ず
る現象として乱れた対流が誘発されていることを示す。
単結晶を成長させるのに必要な、中央部で温度が最低に
なっている融液の表面上の半径方向の温度分布はこのよ
うな融液の場合には調整不可能である。成長させるべき
結晶の結晶直径を大きくするために融液温度を低下させ
た場合には、冷却されているルツボの内壁および冷却さ
れているルツボの内側底部上に同相どじて存在する半融
層上にも同時に結晶の種が成長する。前記半溶融層の厚
さを厚くすることにより融液の容積、従ってその導電性
を小さくする。電力はもはや十分には加えられないので
融液)晶度はさらに低下する。このプロセスは指数関数
的にb0速されて起るので、高周波電力を大きくした場
合にもtl!!液は短時間後に臨界容積に達し、固化す
る。
ルツボの内壁の冷却されている表面における熱損失およ
び融液の臨界容積よりできる限り大きい容積(:19い
半融層)で操作する必要性は必然的に融液の箸しい過熱
を伴なう。この過熱の結果生ずる現象は揮発1と1物質
の成分が蒸発し、融液の対流が乱れると共に温度が変動
することである。
本発明の目的は上述の困難が起らず、融液における乱れ
を41めで良好に制御でき、かつ融液中の;都度勾配を
大形中結晶が極めて良好に成長できるように調整できる
冷ルツボを提供することにある。
本発明においては、前記ルツボの内側に、前記ルツ小内
にある融液に不活性なS電性材料からなる部材か前記ル
ツボの底の上方にある距離離間させて設【プられており
、さらに、前記融液に不活性イT材判からなる容器が前
記融液中に下降させて設(づられており、前記容器は前
記ルツボの開放側に向tづて開放されていて前記融液が
なかを流れる開口を有し、かつ前記容器は全ルツボ内容
物の25%Jメ下が前記容器のなかに入るように前記融
液から突出していて前記ルツボ壁および前記ルツボの底
からある距離離間していることを特徴とする前記冷ルツ
ボによって上述の目的を達成する。
本発明の他の右利な例では、ルツボの底は誘電材料で構
成されている。この場合には、ルツボ内容物が誘電過熱
されるのてルツボの底からの電気的損失が起らないとい
う利点がある。
本発明の仙の有利な例では、ルツボの底は石英板で構成
されていて、その下方を冷媒が流れ、この石英板はホル
ダに組み込まれ、このホルダはばねで支承されている支
持体に連結されている。この場合には、過熱の際に融液
が膨張する結果としてたて方向に生ずる力が相殺される
ので、石英板の破壊が回避される利点がある。このよう
にしてルツボの寿命は著しく延長される。
本発明の有利な他の例では、前記部側および容器はイリ
ジウム、白金またはグラファイトで構成されている。こ
れらの材オ″31は非#L属無機化合物の融液に不活性
で、有効性によって選定される。前記部側はとにかく融
液を加熱づ−るための加熱部材として作用する必要があ
るから、誘導された渦電流の結果どして迅速に加熱する
ことのできる導電性材料で構成する必要がある。これに
対し、容器(は追加の加熱手段どして作用することがあ
り、この」場合にけ融液に不活性な導電性材料をこの容
器のためにj巽定することができる。しかし、容器は融
液中に乱れの存在しない溶融範囲を生成する作用のみを
行うことがあり、この場合には容器を、融液に不活性で
容易には誘シ9加熱することができない月3′31で構
成することができる。
本発明のルツボを使用する場合には、個別に切り変える
ことのできる誘導コイルの結果として異なるエネルギー
を供給することによりルツボの内容物の局部に向けられ
た加熱を行うことができ、従って融液中の滉度勾配に影
響を与えることができる利点かあるのが普通である。融
液の表面の中央部で温度が最低になっている融液の半径
方向の調度分布は容器によって達成することができる。
本発明のルツボの他の利点は、ルツボの内側区域内にお
(ノる融液の対流が容器に設けた開口によって面接的に
影響を受けることである。この結果および容器の内1t
ll1区域内の融液高ざが低くなる結果として、不安定
な成長期間が回避される。これは低粘度を有する融)1
々、例えば、希土類金属/ガリウムガーネット単結晶を
成長させるべき融液では特に右利であることが分った。
従来チョクラルスキーのルツボ溶融法によって希土類金
属/ガリウムガーネット単結晶を成長させることは知ら
れている。しかし、この方法では困難が生ずることが多
い。これらの困難は本発明のルツボによって回避するこ
とができる。上述のルツボ溶融方法における困難の(J
か、既知の冷ルツボを使用する場合の困難は特に融液の
容積が大きい場合には、融液の対流の乱れが温度の揺動
および変動と一緒に起ることが多く、この結果不安定な
成長期間および成長した結晶における明白な成長縞が生
ずることがある、。
本発明のルツボの他の利点は、チョクラルスキーのルツ
ボ溶融法に用いるルツボと比較した場合に、ルツボ装置
の製造に必要な当金属、例えば、イリジウ11の分量が
著しく生部になることである。
例えば、6 kgの融)(夕に対して重FJ 3,5y
gのイリジウムルツボが必要である場合に(Jl、同じ
内容積の本発明の冷ルツボ(部材および容器)に必要な
イリジウム樋は0.6kgにすぎない。他の利点は、本
発明の冷ルツボではルツボ材料によって融液が汚染され
る危険が上述のルツボ溶融法に用いるルツボと比較して
著しく小さいことである。この理由は、ルツボ壁の大部
分が固相状態にある自然な半R1;層にJ二つて形成さ
れているからである。上)ボのルツボ溶融法に用いるル
ツボでは、ルツボの欠陥、例えば、亀裂、孔等は融液の
損失を招く。これに対し、本発明のルツボでは、その冷
却されている内壁上に固(目として存在している半融層
が融液の18失を確実に防11−する。
次に本発明を図面を参照して例について説明する。
第1図は本発明の冷ルツボの断面図である。このルツボ
(、未冷媒好ましくは水がなかを流れる二重壁金属管か
らなり、これらの管は好ましくは鋼管で、直角に曲げら
れており、円形に配置されている。り(、側の包1は互
に0.3mmの間隔を有し、下端で封鎖されている。管
1および1′の表面は酸化作用に対して保護されている
のが好ましく、鋼管の場合にはこれを厚さ約611mの
ロジウム層によって実施することができる。冷媒がなか
を流れるルツボの底3はベース部材5と板7とリング9
とからなり、ベース部材5は例えば耐熱性樹脂から構成
することができ、板7は融液に不活性な誘電材料例えば
石英から(育成され、リング9も誘電材料例えば八ρ2
 Q 3から構成され、リング9は管1からなるルツボ
壁に追加の安定性を付与し、かつルツボ壁をその所定位
置に固定する。ベース部材5は板7を収容するためのく
ぼみを有し、部材5はリング9に好ましくはねじによっ
て連結されている。融液に不活性な導電性月利からなる
部材11(この場合にはイリジウムリング〉は支持体1
3によって板7−1−に支持されている。管1によって
形成されているルツボ壁は耐熱性材料例えば石英からな
る管(図示せず)および環状誘導コイル15を取り囲み
、コイル15によって高周波エネルギーをルツボの内容
物に加えることができる。誘導コイル15を高周波発生
装置(図示せず)に連結し、モの作動周波数を1〜7 
M +12とする。ルツボの底3の下方に第2誘導コイ
ル17を設ける。好ましくは第1誘i、% ]コイル5
によりルツボ内容物に供給されるエネルギーより低い周
波数のエネルギーが第2誘導コイルによってルツボ内容
物に供給される。
第2誘導コイル17を発生装置く図示せず)に連結し、
その作動周波数を例えば7〜10KHzの範囲とブる。
両発生装置は互に無関係に切換えることがひきる。耐熱
材わ1、例えば酸化物セラミックからなる構造物1つを
ルツボの上端縁上に設ける。これは熱損失を減少させる
作用をする。融液に不活性イf材料例えIJイリジウム
からなる容器23をルツボ内にある融液中に下降させる
。容器23は傾斜している平らな底31を有し、底31
はルツボの底に向けて円錐形であり、棒25によって駆
8装置27に連結されている。駆動装置27はたて方向
に移動することかでき、容器23を下降および上昇させ
る作用をする。検出装置29は棒25の一方と同様に電
気回路に接続されていて、融液21の充填深さの測定機
器として作用する。検出装置29も融液に不活性な材わ
1例えば−イリジウl\から構成されている。
第2図は容器23の拡大断面図である。容器の円錐形の
底311ユ中央間口33を有し、開口33はこの例では
直径8111111の円形UFI口である。容器は内径
76+nm、円筒型の壁の高さ20n1m、壁の厚さ2
61mである。幅2〜3mmの突出端縁37が形成する
ように円錐形の底31をリング35に連結し、リング3
5をホルダの内壁に連結する。容器23のすべての部品
の材料は融液に不活性であり、この例ではイリジウムで
ある。
リング35と底31との間には直径方向に反対側に位−
置する長さ20〜30111111、幅<l111mの
みぞ孔39が設【づられている。融液21′中の対流の
方向を矢41で示す。容器23は第1図に示すルツボの
内側に融液から僅かに、例えば2〜5mm上に出るよう
に配置されている。
第3図は第2図に示す容器23を僅かに変更した変形例
であって:容器内に存在する融液21′ 中で対流を起
させることができるみぞ孔は、この場合には、容器23
の円筒型側壁の周囲にみぞ孔43の形態で設けられてい
る。みぞ孔43の寸法はみぞ孔39の寸法に相当する。
他の符号は第2図の符号に相当する。この場合にも矢4
1は融液21′中における対流の方向を示づ。このタイ
プの容器はルツボ内の融液中にみぞ孔43が融液の表面
45の僅かに下方に位置するように配置Jるのが有利で
ある。
本発明の冷ルツボの操作を希土類金属/ガリウムカーネ
ットをベースとして単結晶を製造する例について説明す
る。
溶融処理のために、第1図を示づルツボに、例えばN(
13Ga 5012の形態の、粉末状出発材料を)15
またした。誘導コイル15a5よび17を作動させるた
めの発生装置を両方とも同時に切換える。好ましくは、
先ずエネルギーを誘導コイル17によってJ 44 l
 1 (ご加え、これをガーネット材料の融点(155
0℃)より高い)晶度まで加熱する。十分な容器の融液
がルツボの下部に生成した後に、ルツボ壁を取り囲んで
いる誘導コイル15により融液21にエネルギーを直接
加える。加熱期間はルツボの全内容物が融液として存在
するようになるまで続ける。ルツボの底部に位置する部
材11は、その目的として、溶融すべき粉末状材料を溶
融する処理を開始し、次いである容積の融液を生成させ
て誘導コイル15によって融′a21にさらに高周波エ
ネルギーを直接加えることができるようにすることが必
要である。溶融処理のこの段階では、部材11はまたあ
る程度までは予熱器として作用する。ルツボ内に存在し
ている材料の全量が溶融された後に、部材11は独立に
制御できる追加の加熱手段となる。
ルツボの冷却された壁の内側およびルツボの冷却された
底の内側に半融層47が生成する。
かかる半融層41の厚さ方向の生長は2個の誘導コイル
15および17の加熱電力を変えることによりある限界
内で制御することができる。従って、部材11の形態の
追加の加熱手段は、溶融処理の安定化に本刹的に寄与す
る。本発明のルツボを使用して行った実験では臨界融液
容積に達することはなかった。追加の加熱手段として作
用する部材11の形態は実際の必要条件に適合させるこ
とができる。
上述の例では、リング形態の部材11を使用した。
しかし、部材11は例えばルツボの底の内側より僅かに
小さい直径を右覆る円板の形態とすることもできる。こ
の円板は開口例えば孔またはみぞ孔を設けても設【づな
くてもよい。しかしまた、円板上に直立づる側51?を
有する有孔または無孔の円板とηることができる。
加熱期間中rキ器23はルツボの内容物より上方にイ装
置りるJ:うにザる。融液の自由表面45が形成した後
に、容器23を機械的駆動装置27によって融液21中
に下降刀る。容器23はその」一端縁が融液21から2
〜5 +n m突出づ゛るように配置する。容器23は
その底31の開口33およびみぞ孔39および43のそ
れぞれから融ii’721’ で渦だされる。容器23
は融液の表面45の中央部で湿度が最低になっている半
径方向の温度分布を調整覆るのに役立つ。融液21はみ
ぞ孔39および43を経て容器23に入り、冷却されな
がら融液21′ として容器23の中央部まで流れ、容
器の底31の開口33を経て容器23を離れる。−上述
の流れの像はアルミニウム籾米および水を使用して行っ
たシミュレーション実験で観察された。第2図および第
3図の矢41は粒子の流れ方向を示す。ガーネット融液
中ては容器23の内側の磁束線は弱く形成され、中央部
でスポーク形態に移行する。経験的にかかる磁束線の図
形は融液中に半径方向の温度分布を伴って生覆゛る。
単結晶を成長さけるには約15分の安定化WI間の後に
融液の表面15を種晶49と接触させる。次いで種晶を
回転さぜながら融液から引き上げる。誘導コイル15に
連結されている発生装置の電力を緩徐に小さく覆ること
にJ−リ、成長する結晶の直径を所望の最終直径まで大
きくする。次いで結晶が一定の直径で成長し続【−ノる
ように前記発生装置の電力を制御づる。結晶が成長して
いる間容器23を駆動装置27によって下降する融)1
々レベルに従って移動させて、容器23内の融液の高さ
が一定に維持されるようにザる。融液レベルの変化は検
出装置29によって検出され、その信号によって駆動装
置27を制御する。
結晶の成長が終了した後に、先ず成長した結晶を迅速に
上昇させることにより残りの融液から分離する。次いで
容器23を融液21から取り出し、誘導コイル15およ
び17に連結されている発生装置の電力を小さくするこ
とによって結晶を室温まで冷却する。上述の方法によっ
てNd:+Ga501□単結晶を成長ざするには、出発
相別として6 kgのNd 3 Ga 50□2をルツ
ボに入れた。種晶としてN、 d 3 G a5012
単結晶を使用した。成長過程では成長づ゛る結晶を14
回/分の速度で回転させ、4nl m 7時の速度で謝
;液から引′き出した。長さG Om m以下、直径4
0 m m以下のN (13G a ’5012単結晶
が成長した。このようにして成長させた結晶を測定した
結甲、本発明の冷ルツボから成長した結晶はチョクラル
スキーのルツボ溶融法によって製造した結晶より弱い電
j干少屈折(voltage doublerefra
ction)を有する成長縞を示した。
上述の方法は、未溶融(Aわ1を、検出装置29によっ
て制(yllされている再充1眞装置から、容器23と
管1によって形成されているルツボの壁との間の間隙で
ルツボ内に供給することによって融液レベルが一定に維
持されるように、変えることができる。
このような操作タイプでは容器23の位置は変動しない
他の例どじてNaCで単結晶を製造した。第1図に示す
ルツボに2 kgのNa C1を充填し、N(13Ga
 50□2単結晶を成長させる上述の方法を使用した。
種晶としてh:ac、12単結晶を使用した。成長過程
では、成長する結晶を20回/分の速度で回転ざゼ、1
8mm/時の速度で融液から取り出した。長さ190m
m以下、直径55 m m以下のNa (1単結晶が成
長した。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のルツボの一例の断面図、第2図は本了
テ明のルツボに用いる容器の一例の拡大断面図、 第3図は本発明のルツボに用いる容器の伯の例の拡大断
面図である。 1.1′ ・・・金属管 3・・・ルツボの底5・・・
ベース部材(ホルダ) 7・・・板 9・・・リング 11・・・導電性部材 13・・・支持体15.17・
・・誘導コイル 19・・・耐熱材料の構造物21.2
1’・・・融液 2.3°゛容器25・・・棒 27・
・・駆動装置 29・・・検出装置 31・・・容器の底33・・・開
口 35・・・リング 37・・・突出端縁 39・・・みぞ孔(開口)41・
・・流れ方向を示ず矢 43・・・みぞ孔(開口)45・・・融液の表面47・
・・半融層 49・・・種晶 特許出願人 エヌ・ベー・フィリップス・フルーイラン
ペンファブリケン

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、冷媒がなかを流れる金属管の形態の冷却されたルツ
    ボ壁および冷媒がなかを流れる冷却されたルツボの底を
    具え、前記金属管と前記ルツボの底とは(入域的に連結
    されており、さらに前記ルツボ壁を取り巻いていて高周
    波エネルギーを前記ルツボの内容物に加えることができ
    る第1誘導コイル、並びに前記ルツボ壁を取り巻いてい
    る前記第1誘導コイルとは無関係に切り換えることがで
    きて前記ルツボの底の下方に配置されている第2誘導コ
    イルを貝える非金属無機化合物の溶融・晶出用途ルツボ
    において、 前記ルツボの内側に、前記ルツボ内にある融液(21)
    に不活性な導電性材料からなる部材(11)が前記ルツ
    ボの底(3)の上方にある距離離間させて設けられてお
    り、 さらに、前記融液に不活性な材料からなる容器(23)
    が前記融液中に下部させて設けられており、前記容器は
    前記ルツボの開放側に向けて開放されていて前記融液が
    なかを流れる間口(33,39,l13)を有し、かつ
    前記容器は全ルツボ内容物の25%以下が前記容器のな
    かに入るように前記融液から突出していて前記ルツボ壁
    および前記ルツボの底からある距III 1bf1間し
    ていることを特徴とする非金属無機化合物の溶融・晶出
    用途ルツボ。 2、前記部材−(11)がリングである特許請求の範囲
    第1項記載のルツボ。 3、前記部(Δ(11)が無孔円板である特許請求の範
    囲第1項記載のルツボ。 4、前記部材(11)が有孔円板である特許請求の範囲
    第1項記載のルツボ。 5、前記部vJ(11)が直立側壁を有する有孔または
    無孔の円板である特許請求の範囲第1項記載のルツボ。 6、前記ルツボの底(3)は誘電材料で構成されている
    特許請求の範囲第1項記載のルツボγ、前記ルツボの底
    (3)は板(7)、好ましくは石英板で−474成され
    ていて、その下方を冷媒が流れ、前記板はホルダ(5)
    に組み込まれ、前記ホルダはばねで支承されている支持
    体に連結されている特許請求の範囲第1項記載のルツボ
    。 8、水が冷媒として存在している特許請求の範囲第1項
    記載のルツボ。 9、部材(11)および容器(23)はイリジウムで構
    成されている特許請求の範囲第1項記載のルツボ。 10、部材〈11〉および容器(23)は白金から構成
    されている特許請求の範囲第1項記載のルツボ。 11、部材(11)J3よび容器(23)はグラファイ
    トから構成されている特許請求の範囲第1項記載のルツ
    ボ。 12、前記ルツボの壁を形成する金属管(1)は銅から
    構成されている特許請求の範囲第1項13、前記金a 
    Mが酸化防止被膜を有する特許請求の範囲第12項記載
    のルツボ。 14、容器(23)を1こて方向に移動できる駆動装置
    (27)を具える特許請求の範囲第1項記載のルツボ。 15、前記融液(21)の充填レベル測定用検出装置(
    29)を具える特許請求の範囲第1項記載のルツボ。 16、前記容器(23)は成長させるべき結晶に適合す
    る幾何学的形状を有する特許請求の範囲第1項記載のル
    ツボ。 17、前記容器(23〉は、前記容器の壁が前記ルツボ
    の型に平行に延在し、かつ前記容器の底(31)が前記
    ルツボの底(3)に向いた方向に円錐形に延在するよう
    な幾何学的形状を有する特許請求の範囲第16項記載の
    ルツボ。 18、前記容器(23)の開口(33,39,43)は
    、前記容器の壁および/または前記容器の底(31〉に
    設けられている特許請求の範囲第1項記載のルツボ。
JP59087924A 1983-05-06 1984-05-02 非金属無機化合物の溶融・晶出用冷ルツボ Granted JPS602876A (ja)

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