JP6606638B2 - Method and apparatus for growing Fe-Ga based alloy single crystal - Google Patents
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Description
本発明は、Fe−Ga基合金単結晶の育成方法及び育成装置に係る。 The present invention relates to a method and an apparatus for growing an Fe—Ga based alloy single crystal.
Fe−Ga基合金は大きな磁歪を示すため、アクチュエータや振動発電等に用いる素材として注目されている。なお、Gaの一部を例えばAl、Snその他の元素で置き換えたものもFe−Ga基合金に含まれる。
この合金の磁歪特性は化学組成や結晶方位に大きく依存するため、化学組成や結晶方位を厳密に制御する必要がある。
これまである組成や方位の結晶は、主に、急冷凝固法(特許文献1)、ブリッジマン法や異常粒成長法(非特許文献1、2)により作製されてきた。
Fe-Ga based alloys are attracting attention as materials used in actuators, vibration power generation, and the like because they exhibit large magnetostriction. Note that a part of Ga, for example, Al, Sn or other elements is also included in the Fe—Ga based alloy.
Since the magnetostriction characteristics of this alloy greatly depend on the chemical composition and crystal orientation, it is necessary to strictly control the chemical composition and crystal orientation.
Crystals having a certain composition and orientation have been produced mainly by a rapid solidification method (Patent Document 1), a Bridgman method, and an abnormal grain growth method (Non-Patent
先行技術記載の従来の方法では、廉価な単結晶を大量に作製することは困難である。
本発明は、大型の結晶を、化学組成、結晶方位を精度よく、しかも、廉価に製造することができるFe−Ga基合金単結晶の育成方法及び育成装置を提供することを目的とする。
Fe−Ga基合金単結晶のCZ法における製造方法は高周波誘導加熱方法で育成、製造する事が可能である。しかし、この方法によると育成した単結晶の品質が必ずしも良くない。本発明者は育成した単結晶の品質の低下の原因を調べた。この方法では、育成の際に融液表面に何らかの浮遊物が見られる。その浮遊物が育成した単結晶の品質の低下の原因ではないかとの着想を得て浮遊物を調査したところ、浮遊物はGa酸化物、Ga−Al−O−C化合物等であることを解明した。
本発明は、育成製造の際に融液面の浮遊物の発生を抑制する事により、製造の効率化及び品質の向上を狙いとしたFe−Ga基合金単結晶の育成方法及び育成装置を提供することを目的とする。
In the conventional method described in the prior art, it is difficult to produce a large amount of inexpensive single crystals.
An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for growing an Fe—Ga based alloy single crystal capable of producing a large crystal with high accuracy and low chemical composition and crystal orientation.
The production method of the Fe—Ga based alloy single crystal in the CZ method can be grown and produced by a high frequency induction heating method. However, according to this method, the quality of the grown single crystal is not necessarily good. The present inventor investigated the cause of the deterioration of the quality of the grown single crystal. In this method, some suspended matter is seen on the surface of the melt during growth. When the suspended matter was investigated with the idea that the suspended matter might be the cause of the deterioration of the quality of the grown single crystal, it was clarified that the suspended matter was Ga oxide, Ga-Al-OC compound, etc. did.
The present invention provides a method and apparatus for growing an Fe-Ga based alloy single crystal aimed at improving the efficiency of production and improving the quality by suppressing the generation of suspended matters on the melt surface during the growth and production. The purpose is to do.
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成方法は、ルツボを、外側ルツボと、該外側ルツボ内に配置された内側ルツボとからなる二重ルツボとし、前記外側ルツボの外側に配置した高周波誘導加熱源により加熱を行い、前記内側ルツボ内の原料融液に種結晶を接触させた後に、前記種結晶を引き上げて単結晶を育成させることを特徴とする。 In the method for growing an Fe—Ga based alloy single crystal according to the present invention, the crucible is a double crucible including an outer crucible and an inner crucible arranged in the outer crucible, and the high frequency induction arranged outside the outer crucible. After heating with a heating source and bringing the seed crystal into contact with the raw material melt in the inner crucible, the seed crystal is pulled up to grow a single crystal.
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成方法は、前記外側ルツボはグラファイトルツボであり、前記内側ルツボはアルミナルツボであることが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成方法は、前記内側ルツボの材質を非酸化物系セラミックとすることが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成方法は、前記非酸化物系セラミックは、窒化ホウ素であることが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成方法は、前記外側ルツボの底面と前記内側ルツボとの間にスペーサーを設けておくことが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成方法は、前記外側ルツボと前記内側ルツボとの間には粒状体を充填しておくことが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成方法は、前記外側ルツボの外径(φc)と前記加熱源の外径(φw)との比は0.4<φc/φw<0.6とすることが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成方法は、装置内の酸素や単結晶用原料から発生する酸素除去を目的としてルツボ上部に酸素と結合しやすい金属製の円筒を設置することが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成方法は、前記金属はチタンであることが好ましい。
In the method for growing an Fe—Ga based alloy single crystal of the present invention, it is preferable that the outer crucible is a graphite crucible and the inner crucible is an alumina crucible.
Method for growing Fe-Ga-based alloy single crystal of the present invention, it is preferable that the material of the inner crucible and the non-oxide ceramics.
Method for growing Fe-Ga-based alloy single crystal of the present invention, the non-oxide ceramics, preferably a boron nitride.
In the method for growing an Fe—Ga based alloy single crystal of the present invention, it is preferable to provide a spacer between the bottom surface of the outer crucible and the inner crucible.
In the method for growing an Fe—Ga based alloy single crystal of the present invention, it is preferable that a granular material is filled between the outer crucible and the inner crucible.
In the method for growing an Fe—Ga based alloy single crystal of the present invention, the ratio of the outer diameter (φc) of the outer crucible to the outer diameter (φw) of the heating source is 0.4 <φc / φw <0 . 6 is preferable.
In the method for growing an Fe—Ga based alloy single crystal of the present invention, it is preferable to install a metal cylinder that is easily bonded to oxygen at the upper part of the crucible for the purpose of removing oxygen generated from oxygen and single crystal raw materials in the apparatus. .
In the method for growing an Fe—Ga based alloy single crystal according to the present invention, the metal is preferably titanium.
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成装置は、ルツボを、外側ルツボと、該外側ルツボ内に配置された内側ルツボとからなる二重ルツボと、前記外側ルツボの外側に配置した高周波誘導加熱源とを有するルツボ内の原料融液に種結晶を接触させた後に前記種結晶を引き上げて単結晶を育成させることを特徴とする。 The apparatus for growing an Fe—Ga based alloy single crystal according to the present invention includes a double crucible composed of an outer crucible and an inner crucible arranged in the outer crucible, and a high frequency induction arranged outside the outer crucible. A seed crystal is brought into contact with a raw material melt in a crucible having a heating source, and then the seed crystal is pulled up to grow a single crystal.
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成装置は、前記外側ルツボはグラファイトルツボであり、前記内側ルツボはアルミナルツボであることが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成装置は、前記内側ルツボの材質を非酸化物系セラミックとすることが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成装置は、前記非酸化物系セラミックは、窒化ホウ素であることが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成装置は、前記外側ルツボの底面と前記内側ルツボとの間にスペーサーを設けておくことが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成装置は、前記外側ルツボと前記内側ルツボとの間には粒状体を充填しておくことが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成装置は、前記外側ルツボの外径(φc)と前記加熱源の外径(φw)との比は0.4<φc/φw<0.6とすることが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成装置は、装置内の酸素や単結晶用原料から発生する酸素除去を目的としてルツボ上部に酸素と結合しやすい金属製の円筒を設置することが好ましい。
本発明のFe−Ga基合金単結晶の育成装置は、前記金属はチタンであることが好ましい。
In the Fe-Ga based alloy single crystal growth apparatus of the present invention, it is preferable that the outer crucible is a graphite crucible and the inner crucible is an alumina crucible.
Growing apparatus of Fe-Ga-based alloy single crystal of the present invention, it is preferable that the material of the inner crucible and the non-oxide ceramics.
Growing apparatus of Fe-Ga-based alloy single crystal of the present invention, the non-oxide ceramics, preferably a boron nitride.
In the Fe—Ga based alloy single crystal growth apparatus of the present invention, it is preferable to provide a spacer between the bottom surface of the outer crucible and the inner crucible.
In the apparatus for growing an Fe—Ga based alloy single crystal of the present invention, it is preferable that a granular material is filled between the outer crucible and the inner crucible.
In the apparatus for growing an Fe—Ga based alloy single crystal of the present invention, the ratio of the outer diameter (φc) of the outer crucible to the outer diameter (φw) of the heating source is 0.4 <φc / φw <0 . 6 is preferable.
The apparatus for growing an Fe—Ga based alloy single crystal of the present invention is preferably provided with a metal cylinder that is easily bonded to oxygen at the upper part of the crucible for the purpose of removing oxygen generated from oxygen in the apparatus and the raw material for the single crystal. .
In the Fe—Ga based alloy single crystal growth apparatus of the present invention, the metal is preferably titanium.
本発明によれば次の効果が得られる。
大型のFe−Ga基合金単結晶を、化学組成、結晶方位を精度よく、しかも、廉価に製造することができる。
アルミナ製セラミックルツボの外側にカーボンルツボを使用することにより、高周波誘導加熱式チョクラルスキー法でFe−Ga単結晶の製造することが出来る。
またカーボンルツボの加熱制御に合わせ高周波誘導加熱でFe−Ga原料自体も発熱することにより、低電力での育成が可能となる。
ルツボの材質を非酸化物系セラミック製(例えば窒化ホウ素製)とすることにより単結晶育成の際にGa酸化物、Ga−Al−O−C化合物等の浮遊物発生を抑制することができ、単結晶育成が簡略化され、且つ浮遊物による結晶の多結晶化や空洞化を防ぐ事が容易となる。さらに、上部に酸化しやすい金属(例えばチタン)製の円筒を設置する事により、
According to the present invention, the following effects can be obtained.
A large-scale Fe—Ga based alloy single crystal can be manufactured with good chemical composition and crystal orientation at low cost.
By using a carbon crucible outside the ceramic crucible made of alumina, an Fe—Ga single crystal can be produced by a high-frequency induction heating type Czochralski method.
Further, the Fe—Ga raw material itself also generates heat by high-frequency induction heating in accordance with the heating control of the carbon crucible, thereby enabling growth with low power.
By making the material of the crucible non-oxide ceramic (for example, boron nitride), it is possible to suppress the generation of floating substances such as Ga oxide and Ga—Al—O—C compound during single crystal growth, Single crystal growth is simplified, and it becomes easy to prevent crystal crystallization and cavitation due to suspended matter. In addition, by installing a cylinder made of metal (for example, titanium) that easily oxidizes,
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
[育成装置についての第1の形態]
図1は、本発明を実施するための第1の形態に係る単結晶引き上げ装置を説明するための図である。
ルツボを、外側ルツボ19と、外側ルツボ19内に配置された内側ルツボ18とからなる二重ルツボとし、ルツボ内の原料融液300に種結晶210を接触させた後に、種結晶210を引き上げて単結晶200を育成させる単結晶育成装置である。
内側ルツボ18の側面と外側ルツボ19の側面とは接触させて配置してもよいし、離間させて配置してもよい。離間させた方がより組成、結晶配向のばらつきの少ない単結晶が得られる。かかる観点からは、離間距離は1mm〜10mmが好ましく、2mmから5mmがより好ましい。また、内側ルツボ18の底面と外側ルツボ19の底部内面との間には図2に示すようにスペーサー21を設けることが好ましい。
前記ルツボは、アルミナ製の内側ルツボ18と、内側ルツボ18の外側に間隔を置いて又は置かないで配置されたグラファイト製の外側ルツボ19とからなる。
[First form of training apparatus]
FIG. 1 is a diagram for explaining a single crystal pulling apparatus according to a first embodiment for carrying out the present invention.
The crucible is a double crucible composed of the
The side surface of the
The crucible includes an
本形態を詳細に説明する。
チャンバ11内に設けられた断熱材で形成される加熱室15と、加熱室15の内部に設けられたルツボと、加熱室15の外周に配置された加熱コイル20とを備え、前記ルツボを加熱して得られた原料融液300に種結晶210を接触させた後に、種結晶210を引き上げて単結晶200を育成させる単結晶育成装置である。
ルツボ内の原料融液300に種結晶210を接触させた後に、種結晶210を引き上げて単結晶200を育成させる。
前記ルツボは、原料保持用である内側ルツボ18と、内側ルツボ18の外側に間隔を置いて又は置かないで配置された外側ルツボ19とからなる単結晶育成装置である。
This embodiment will be described in detail.
A
After bringing the
The crucible is an apparatus for growing a single crystal comprising an
以下本形態をより詳細に説明する。
(内側ルツボ)
内側の内側ルツボ18は高融点材料からなる。アルミナが好ましい。
また、マグネシア、パイタリテックな窒化ホウ素(BN)でもよい。
Hereinafter, this embodiment will be described in more detail.
(Inner crucible)
The inner
Further, magnesia or pietalite boron nitride (BN) may be used.
(外側ルツボ)
外側ルツボ19はグラファイトから構成される。グラファイトはIrに比べてはるかに安価である。また、高周波(RF)に対する発熱効率が極めて良好である。
外側ルツボ19は、底部を有し(有底)、底部の周縁から上方に立ち上げる側壁を有している。
(Outside crucible)
The
The
グラファイトが発熱した場合に発生するカーボンガスあるいはカーボン粒子が融液に混入しないように、外側ルツボ19の上端(側壁の最上部)の高さは、内側ルツボ18の上端よりも高くなく設定される。図1に示す例では、両者の上端は面一状態となっている。
外側ルツボ19の内部は、内側ルツボ18の外面全体と外側ルツボ19の内面全体が接触するように、外径、内径を適宜設定しておくことが好ましい。底部においても、外側ルツボ19の底部内面が、内側ルツボ18の底部外面と接触させ外側ルツボ19内に内側ルツボ18をスライドさせてはめ込み可能な形状としておくことが好ましい。
外側ルツボ19の内面及び内側ルツボ18の外面は鏡面仕上げしておけば、内側ルツボ18を容易に外側ルツボ19内にスライドさせて収納させることができる。
なお、図1では、内側ルツボ18と外側ルツボ19とを接触させて配置した例を示したが、Fe0.80Ga0.20よりFeが多くなるか、Gaの置換体により高 になる場合はカーボンとアルミナが反応するので、内側ルツボ18の側壁と外側ルツボ19の側壁とを離隔して配置した方がよい。
なお、図1に示す形態では、外側ルツボ19の上端が内側ルツボ18の上端より高くないようにしてある。
The height of the upper end (the uppermost portion of the side wall) of the
The
If the inner surface of the
FIG. 1 shows an example in which the
In the embodiment shown in FIG. 1, the upper end of the
[育成装置についての第2の形態]
図2に他の形態を示す。
この形態においては、アルミナからなる内側ルツボ18の外側底部と外側ルツボ19の内底部の間にはスペーサー21が設けられている。また、側壁同士を離隔させてある。
本形態では、内側ルツボ18は、外側ルツボ19からの熱を側壁同士間の空間を介して放射熱によりが加熱される。そのため融液300中の温度勾配はより一層低減され、より一層歪の少ない単結晶が得られる。
[Second form of training apparatus]
FIG. 2 shows another form.
In this embodiment, a
In this embodiment, the
ヒータールツボが小さい時は(8インチ未満の時は)、比較的融液加熱側壁(ヒータールツボ)が均一に加熱され、融液の自然対流は保持される。ところがヒータールツボが大きくなると(8インチ以上になると)コイルに発生する高周波磁束の密度がヒータールツボの中心になるにつれて弱まり、ルツボ外壁の一部が特に加熱されるホットエリアができ、温度勾配がきつくなる。 When the heater crucible is small (less than 8 inches), the melt heating side wall (heater crucible) is heated relatively uniformly and the natural convection of the melt is maintained. However, when the heater crucible becomes large (over 8 inches), the density of the high-frequency magnetic flux generated in the coil becomes weaker as it becomes the center of the heater crucible, creating a hot area where a part of the outer wall of the crucible is particularly heated, and the temperature gradient becomes tight. Become.
この現象を弱めるために直接的にヒータールツボによって融液を加熱するよりもクッション的に直接加熱されないルツボを内側に配置することで比較的、側面側からの加熱を弱め、融液の温度分布のばらつきをマイルドにして温度勾配が急峻にならないようになる。
融液の温度勾配が緩くなると自然対流が安定して結晶の欠陥やひずみを抑制する効果が生ずる。
また、二重構造にすると各々のルツボの高寿命化が達成される。
In order to weaken this phenomenon, the crucible that is not directly heated by the cushion is arranged inside rather than directly heating the melt by the heater crucible, so that the heating from the side is relatively weakened and the temperature distribution of the melt is reduced. The variation becomes mild and the temperature gradient does not become steep.
When the temperature gradient of the melt is relaxed, natural convection is stabilized and the effect of suppressing crystal defects and strains is produced.
Further, when the double structure is used, the life of each crucible can be increased.
なお、外側ルツボ19の底部内壁にはタングステンのスペーサー21が配置され、内側ルツボ18はこのスペーサー21上に載置される。すなわち、側壁においては離隔して輻射により熱を供与するが、直接電力供給を受けるわけではない底壁においては離隔せず熱伝導により熱を供与する。これにより、温度勾配をより少なくすることができる。
A
[育成装置についての第3の形態]
図3に形態3に係る育成装置を示す。
チャンバ11内に設けられた断熱材15で形成される加熱室と、加熱室の内部に配置されたルツボと、加熱室の外周に配置された加熱コイル20とを備え、前記ルツボを加熱して得られた原料融液300に種結晶210を接触させた後に、種結晶210を引き上げて単結晶200を育成させる単結晶育成装置である。
前記ルツボは、有底の内側ルツボ18と、内側ルツボ18の外側に配置されたグラファイトからなる有底の外側ルツボ19とからなり、前記内側ルツボ18の外周と前記外側ルツボ19の内周とから形成される空間にタングステンカーバイドあるいはアルミナの粉末350が装入されている。
内側ルツボ18は、アルミナ製であるが、タングステン若しくはタングステン合金又はモリブデン若しくはモリブデン合金からなる本体の内面が、アルミナ層で覆ってもよい。
[Third embodiment of the training apparatus]
FIG. 3 shows a growing apparatus according to the third embodiment.
A heating chamber formed of a
The crucible includes a bottomed
The
本形態に係る育成装置は例えば次の手順で作成する。
(1)外側ルツボであるグラファイトルツボ19を、加熱室内の台座上に設置した後にアルミナあるいはタングステンカーバイド、アルミナなどの無機材の粉末350をグラファイトルツボ19の内側の底面に好ましくは1〜5mmの厚さで敷き詰める。
(2)内側ルツボ18を、タングステンカーバイドの粉末350上に設置する。その際、内側ルツボ18と外側ルツボ19の中心が一致させる。
(3)内側ルツボ18の外形はグラファイトルツボ(外側ルツボ)19の内径より、例えば、10mmぐらい小さいものにする。そのようにするとグラファイトルツボ19と内側ルツボ18の隙間は5mmになる。
(4)その隙間にタングステンカーバイドあるいはアルミナの粉末を注入する。
本形態によれば、次の諸々の効果が達成される。
タングステンカーバイドをコーティングするよりもはるかに安価で簡易的に結晶育成が行える。タングステンカーバイド、アルミナのコーティングは熱膨張率の差異により、使用回数が多くなった時、クラックや劣化が心配されるが、粉末の場合には熱膨張の差異を吸収することができる。
The training apparatus according to the present embodiment is created by the following procedure, for example.
(1) After the
(2) The
(3) The outer shape of the
(4) Tungsten carbide or alumina powder is injected into the gap.
According to this embodiment, the following various effects are achieved.
Crystal growth is much cheaper and easier than coating with tungsten carbide. Tungsten carbide and alumina coatings are susceptible to cracking and deterioration when the number of use increases due to the difference in thermal expansion coefficient, but in the case of powder, the difference in thermal expansion can be absorbed.
また、充填密度を制御することにより、外側ルツボ19から内側ルツボ19への熱の伝達量や伝達速度を制御することができるため、温度勾配が生じない最適な伝達量、伝達速度の設定が容易に可能となる。
なお、内側ルツボ18と外側ルツボ19との間は全てタングステンカーバイド粉末あるいはアルミナ粉末を充填してもよいが、内側ルツボ18の底部にブロック状のW又はWCのスペーサーを設けてもよい。このスペーサーの寸法を変化させることにより外側ルツボ18から内側ルツボ19への熱伝達を制御することができ、原料融液の温度分布のばらつきをより少なくすることが可能となる。
In addition, by controlling the packing density, it is possible to control the amount and speed of heat transfer from the
The space between the
[育成装置についての第4、5の形態]
図4に第4の形態に係る単結晶育成装置を示す。
高周波誘導加熱用の加熱コイル4により、炉体内の二重ルツボ(外側ルツボであるカーボンルツボ2とその内部に載置された内側ルツボであるアルミナ製セラミックルツボ3からなるルツボ)に単結晶用原料を入れて加熱溶融し、原料融液から成長結晶を引き上げる溶融固化法でのFe−Ga単結晶を製造するためのFe−Ga単結晶製造装置である。単結晶原料をアルミナ製セラミックルツボ3に入れるようにしてある。高周波誘導加熱コイル4にてカーボンルツボ2を加熱して単結晶原料を溶融する。
[Fourth and fifth aspects of the breeding apparatus]
FIG. 4 shows a single crystal growth apparatus according to the fourth embodiment.
The raw material for a single crystal is formed in a double crucible (a crucible composed of a
本形態においては、内部のルツボ3をアルミナ製セラミックルツボとした。
FeとGaを規定mol%に秤量した単結晶用原料をアルミナ製セラミックルツボ3に入れて、アルミナ製セラミックルツボ3をカーボンルツボ2内に設置し、保温の為にアルミナ製の耐火材1を設置する。炉内雰囲気を不活性ガスにて置換し、Fe−Ga原料が溶融する温度まで徐々に出力を上げてカーボンルツボ2とFe−Ga原料を加熱する。その後、切り出した単結晶を種結晶として用い、回転させた種結晶を融液近くまで降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、種結晶を上昇させることで単結晶を製造する。
なお、高周波誘導加熱式チョクラルスキー法での製造方法において、カーボンルツボ直径(φc)と加熱コイル直径(φw)の比を0.4<φc/φw<0.6とすることが好ましい。この範囲とした場合には、この範囲以外の場合に比べて電力消費量が著しく減少する。
In this embodiment, the inner crucible 3 is an alumina ceramic crucible.
A raw material for a single crystal in which Fe and Ga are weighed to a specified mol% is put in an alumina ceramic crucible 3, the alumina ceramic crucible 3 is installed in the
In the manufacturing method using the high-frequency induction heating type Czochralski method, the ratio of the carbon crucible diameter (φc) to the heating coil diameter (φw) is preferably 0.4 <φc / φw <0.6. In this range, the power consumption is significantly reduced as compared to cases outside this range.
図5に第5の形態に係る装置を示す。
本形態では、第4の形態に係る装置構造に加えて、アルミナ製耐火材1とルツボとの間に加熱室を形成する円筒を設けてある。より融液の温度分布がより均一となり均一性に優れた結晶を得ることができる。
FIG. 5 shows an apparatus according to the fifth embodiment.
In this embodiment, in addition to the device structure according to the fourth embodiment, a cylinder forming a heating chamber is provided between the alumina
[育成装置についての第6の形態]
以下、第6の形態について説明する。
Fe−Ga基合金単結晶を育成する際に融液表面に発生する浮遊物はGa酸化物、Ga−Al−O−C化合物等と考えられる。該浮遊物は炉内保温材、ルツボ材質、原料から発生する酸素との化合物と考えられる。
本発明者等は、得られた知見から、
育成時の炉内圧力を減圧状態で維持し、発生する酸素を取り除く、
育成に使用していたルツボを原料、保温材、育成温度に対し影響の無い窒化ホウ素を材質とした物とする、
原料等から発生した酸素を装置内に設置したチタン製の円筒に結び付かせ、融液との反応を軽減する、
ことにより、装置内の酸素を減らし、Ga酸化物、Ga−Al−O−C化合物等の発生を防ぐ事が出来ると考え、実験の結果、これらの手段により、高品質の単結晶製造に優れた効果が得られることがわかった。
[ Sixth embodiment of the growing apparatus]
Hereinafter, the sixth embodiment will be described.
The suspended matter generated on the melt surface when growing the Fe—Ga based alloy single crystal is considered to be a Ga oxide, a Ga—Al—O—C compound, or the like. The suspended matter is considered to be a compound with oxygen generated from the heat insulating material in the furnace, the material of the crucible, and the raw material.
From the knowledge obtained, the present inventors
Maintain the pressure in the furnace at the time of growth in a reduced pressure state, and remove the generated oxygen.
The crucible used for the growth is made of a raw material, a heat insulating material, and a material made of boron nitride having no influence on the growth temperature.
Oxygen generated from raw materials is tied to a titanium cylinder installed in the device to reduce reaction with the melt.
Therefore, we can reduce the oxygen in the device and prevent the generation of Ga oxides, Ga-Al-O-C compounds, etc. It was found that the effect was obtained.
本発明の技術を用いてFe−Ga基合金単結晶を育成するには、一般的なチョクラルスキー法による酸化物単結晶育成装置を使用出来る。
装置には炉体内を減圧する減圧手段、減圧をモニターする圧力測定手段、炉体温度を測定する温度測定手段、炉体内に不活性ガスを供給する手段が設けられている。装置上方には単結晶の重量を測定する装置、回転しながら引き上げる装置が設けられている。
In order to grow an Fe—Ga based alloy single crystal using the technique of the present invention, an oxide single crystal growing apparatus by a general Czochralski method can be used.
The apparatus is provided with decompression means for decompressing the furnace body, pressure measurement means for monitoring decompression, temperature measurement means for measuring the furnace temperature, and means for supplying an inert gas into the furnace body. Above the device, a device for measuring the weight of the single crystal and a device for pulling up while rotating are provided.
結晶育成装置は、図6では窒化ホウ素で形成されたルツボと、該ルツボの外側にカーボンで形成されたルツボがあり、2種のルツボの周囲に配置したカーボン製の保温材と、カーボン製の加熱用ヒーターから構成される。
ルツボ上部にはチタン製の円筒が保温材に取り付けてある。
In FIG. 6, the crystal growth apparatus includes a crucible formed of boron nitride and a crucible formed of carbon outside the crucible. A carbon heat insulating material disposed around the two types of crucibles, and a carbon Consists of a heater for heating.
At the top of the crucible, a titanium cylinder is attached to the heat insulating material.
図7では窒化ホウ素で形成されたルツボと、該ルツボの外側にカーボンで形成されたルツボがあり、2種のルツボの周囲に配置したカーボン製の保温材で構成されている。保温材の外側に石英製の円柱があり、該円柱の外側に加熱装置として機能する高周波コイルから構成される。
ルツボ上部にはチタン製の円筒が保温材に取り付けてある。
In FIG. 7, there are a crucible formed of boron nitride and a crucible formed of carbon on the outside of the crucible, and is composed of a carbon heat insulating material disposed around two types of crucibles. There is a quartz cylinder outside the heat insulating material, and the outside of the cylinder is composed of a high frequency coil that functions as a heating device.
At the top of the crucible, a titanium cylinder is attached to the heat insulating material.
結晶の製造は次の様に行う。最初に窒化ホウ素製のルツボに単結晶原料を入れ、カーボンヒーター若しくは加熱用高周波コイルを加熱し、原料を溶融して融液を得る。原料を十分溶融したところで単結晶を種結晶として加工した棒状の結晶を融液表面に接触させて結晶成長を開始させる。この際、炉体内に不活性ガスを供給する。
単結晶の育成は、上記した炉内構成の条件とする以外は、一般的な酸化物単結晶の製造方法に従い、種結晶の回転数や引き上げ速度を調整して、結晶のネック部及び肩部を形成し、その後、直胴部を形成する。結晶を形成した後、融液から育成した結晶を切り離し、加熱元を徐々に降温させて結晶の冷却を行う。
Crystals are manufactured as follows. First, a single crystal raw material is put into a boron nitride crucible, a carbon heater or a heating high-frequency coil is heated, and the raw material is melted to obtain a melt. When the raw material is sufficiently melted, a rod-like crystal processed with a single crystal as a seed crystal is brought into contact with the melt surface to start crystal growth. At this time, an inert gas is supplied into the furnace.
The growth of the single crystal, except for the above-mentioned conditions of the furnace configuration, adjusts the rotation speed and pulling speed of the seed crystal in accordance with a general method for producing an oxide single crystal, and the neck portion and shoulder portion of the crystal. Then, the straight body portion is formed. After the crystals are formed, the grown crystals are separated from the melt, and the heating source is gradually cooled to cool the crystals.
[育成方法の形態]
<準備工程>
準備工程では種結晶を用意して、引上げ棒12の保持部材13に取り付ける。続いて外側ルツボ19を配置する。外側ルツボ19の底にタングステン板あるいはアルミナ板からなるスペーサー21を置き、その上に内側ルツボ18を設けることで二重構造のルツボとする。
さらに原料粉末を内側ルツボ18内に充填し、チャンバ11内にルツボを取り囲むように断熱容器としてカーボンフェルト材16とジルコニア耐火物15を組み立てる。さらにまた加熱コイル20と断熱容器15の間に石英管14を配置する。この準備作業が終了した後にガス供給部22からガス供給を行わないで、排気部23を用いてチャンバ内を減圧する。
その後、ガス供給部22からアルゴンガスを供給し、チャンバ11の内部を不活性ガス雰囲気で常圧にする。ガスを供給するに際しては、ガスの流れが下方から上方に向かうように供給することが好ましい。これにより、不純物等が融液300中に混入することを低減させることができる。
[Growth method]
<Preparation process>
In the preparation step, a seed crystal is prepared and attached to the holding
Further, the raw material powder is filled in the
Thereafter, argon gas is supplied from the
<溶融工程>
溶融工程では、ガス供給部22からアルゴンガスをチャンバ11に供給する。コイル電源が加熱コイル20に高周波電を供給し、加熱コイル20で磁束が発生し、発熱体であるグラファイトルツボ19には渦電流が発生する。
グラファイトルツボ19の融点は3000℃であるので、グラファイトルツボ19を2500℃以上に加熱することも可能であり、2500℃以上に加熱した方が作業効率は上昇する。しかし、グラファイトルツボ19の加熱は2500℃以下とすることが好ましく、2300℃以下とすることがより好ましい。このように、グラファイトルツボ19の加熱温度を制限することによりルツボの寿命がはるかに長くなる。
<Melting process>
In the melting step, argon gas is supplied from the
Since the melting point of the
<種付け工程>
種付け工程では、ガス供給部22が、アルゴンガスをチャンバ23内に供給する。
引上げ駆動部は、保持部材13に取り付けられた種結晶200の下端が、内側ルツボ18内のFe−Ga原料融液300と接触する位置まで引上げ棒12を下降させて停止させる。その状態で、コイル電源は、重量検出部からの重量信号をもとに加熱コイル20に供給する高周波電流の電流値を調節する。
<Seeding process>
In the seeding step, the
The pulling drive unit lowers the pulling
<肩部形成工程>
肩部形成工程では、コイル電源が加熱コイル20に供給する高周波電流を調節したのち、原料融液300の温度が安定するまでしばらくの間保持し、その後、引上げ棒12を第一の回転速度で回転させながら第一の引上げ速度にて引き上げる。すると、種結晶210は、その下端部が原料融液300に浸った状態で回転されつつ引き上げられることになり、種結晶210の下端には、鉛円直下方に向かって拡開する肩部220が形成されていく。
肩部220の直径が所望とする基板の直径よりも数mm(1〜5mm)ほど大きくなった時点で肩部形成工程を完了する。
<Shoulder formation process>
In the shoulder forming step, after the high frequency current supplied from the coil power supply to the
The shoulder forming step is completed when the diameter of the shoulder 220 becomes several mm (1 to 5 mm) larger than the desired diameter of the substrate.
<直胴部形成工程>
直胴部形成工程では、ガス供給部22がアルゴンガスをチャンバ11内に供給する。コイル電源は、引き続き加熱コイル20に高周波電流の供給を行い、内側ルツボ18を介して原料融液300を加熱する。引き上げ駆動部は、引き上げ棒12を第2の引き上げ速度にて引き上げる。ここで第2の引き上げ速度は、肩部形成工程における原料保持用引き上げ速度と異なる速度である。さらに、回転駆動部は、引き上げ棒12を第2の回転速度で回転させる。
<Straight body part formation process>
In the straight body forming step, the
ここで、第2の回転速度は、肩部形成工程における第1の回転速度と異なる速度である。
種結晶210と一体化した肩部220は、その下端部が原料融液300に浸った状態で回転されつつ引き上げられることになるため、肩部220の下端部には、円柱状の直胴部230が形成されていく。直胴部230の直径は、所望とする基板の直径より数mmほど大きなっていればよい。
Here, the second rotation speed is a speed different from the first rotation speed in the shoulder portion forming step.
Since the shoulder 220 integrated with the
<尾部形成工程>
融液300を加熱する。さらに、引き上げ駆動部は、引き上げ棒12を第3の引き上げ速度にて引き上げる。ここで第3の引き上げ速度は、肩部形成工程における第1の引き上げ速度あるいは直胴部形成工程における第2の引き上げ速度と異なる速度である。
<Tail formation process>
The
尾部形成工程では、ガス供給部22がアルゴンガスをチャンバ11内に供給する。
また、コイル電源は、引き続き加熱コイル20に高周波電流の供給を行い、内側ルツボ18を介したFe−Ga融液300を加熱する。さらに、引き上げ駆動部は、引き上げ棒12を第3の引き上げ速度にて引き上げる。ここで第3の引き上げ速度は、肩部形成工程における第1の引き上げ速度あるいは直胴部形成工程における第2の引き上げ速度と異なる速度である。
さらにまた、回転駆動部は、引き上げ棒12を第3の回転速度で回転させる。ここで、第3の回転速度は、肩部形成工程における第1の回転速度あるいは直胴部形成工程における
第2の回転速度とは異なる速度である。なお、尾部形成工程の序盤において、尾部240下端は、融液300と接触した状態を維持する。
そして、所定の時間が経過した尾部形成工程の終盤において、引き上げ駆動部は、引き上げ棒12の引き上げ速度を増速させて引き上げ棒12をさらに上方に引き上げさせることにより、尾部240の下端を融液300から引き離す。これにより、図2に示すFe−Gaインゴット200が得られる。
In the tail formation step, the
Further, the coil power supply continues to supply a high frequency current to the
Furthermore, the rotation drive unit rotates the pulling
Then, at the end of the tail formation process after a predetermined time has elapsed, the pulling drive unit increases the pulling speed of the pulling
<冷却工程>
冷却工程では、ガス供給部22がアルゴンガスをチャンバ11内に供給する。また、コイル電源は、加熱コイル20へ高周波電流の供給を停止し、ルツボ17を介した融液300の加熱を中止する。さらに、引き上げ駆動部は引き上げ棒12の引き上げを停止させ、回転駆動部は引き上げ棒12の回転を停止させる。このとき、ルツボ17内には、インゴット200を形成しなかったFe−Gaが融液300として少量残存している。このため、加熱の停止に伴って、原料保持ルツボ18中の原料融液300は徐々に冷却され、原料の融点を下回った後にルツボ18中で固化し、Fe−Gaの固体となる。そして、チャンバ11内が十分に冷却された状態で、チャンバ11内からFe−Gaインゴット200が取り出される。
<Cooling process>
In the cooling process, the
以上説明したように、本実施の形態では、加熱コイル20により内側ルツボ18の壁部を直接加熱することなく、内側ルツボ18を間接的に加熱している。このため、加熱コイル20により内側ルツボ18の壁部を直接加熱した場合に比べ、ルツボ17内の融液の温度勾配を緩和することができる。よって、急激な温度勾配によって成長させた単結晶に発生する歪みを抑制することができる。
As described above, in the present embodiment, the
ルツボ419は、一般には、上部から見た開口部が円形状であり、円柱状の胴部を持ち、底面の形状が平面状又は碗状又は逆円錐状のものが用いられる。また、ルツボの材質としては、原料溶融液であるFe−Gaの融点に耐え、またFe−Gaとの反応性が低いものが適しており、イリジウム、モリブデン、タングステン、レニウムまたはこれらの混合物が一般的に用いられる。
ルツボ419は、耐火物で形成された円筒状の支持台により支持されている。
The crucible 419 generally has a circular opening as viewed from above, a cylindrical body, and a bottom surface having a planar shape, a bowl shape, or an inverted conical shape. Moreover, as a material for the crucible, a material that can withstand the melting point of Fe—Ga as a raw material melt and has low reactivity with Fe—Ga is suitable, and iridium, molybdenum, tungsten, rhenium, or a mixture thereof is generally used. Used.
The crucible 419 is supported by a cylindrical support base made of a refractory material.
上述した単結晶引上げ装置を用いた単結晶の引上げは、ルツボ419に原料を入れ、加熱コイル20に高周波電流を流すことによりルツボ419を加熱してFe−Ga原料を溶融させ、耐火物15(保温体)15で保温し、引上げ棒12ないしルツボ419を回転させながら、融液20に引上げ棒12の下端の種結晶210を浸し、引上げ棒12を引上げることにより行う。
The single crystal pulling using the single crystal pulling apparatus described above is performed by putting the raw material into the crucible 419 and flowing the high frequency current through the
(実施例1)
高周波誘導加熱型チョクラルスキー炉を用いてFe―Ga―Sn合金を育成した。
内径φ50mmのグラファイトルツボの内側に外径φ45mmの緻密質アルミナ製ルツボを配置し、出発原料として99.95%の鉄及び4N(99.99%)ガリウム及び錫を規定at%に配合した原料400g投入した。
Example 1
An Fe—Ga—Sn alloy was grown using a high-frequency induction heating type Czochralski furnace.
A fine alumina crucible with an outer diameter of 45 mm is placed inside a graphite crucible with an inner diameter of 50 mm, and 400 g of a raw material containing 99.95% iron, 4N (99.99%) gallium and tin in a specified at% as starting materials. I put it in.
原料を投入したルツボを前記育成炉に投入し、炉内を真空にした後にアルゴンガスを導入し、炉内が大気圧となった時点で、装置の加熱を開始し、融液に達するまで、12時間かけて加熱した。<001>方位に切り出した鉄ガリウム単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液近くまで下降させた。
この種結晶を5ppmで回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、引上速度1.0mm/Hrの速度で種結晶を上昇させて結晶成長を行った。
その結果、直径10mm、直胴部の長さ80mmの単結晶合金が得られた。
The crucible charged with the raw material was put into the growth furnace, the inside of the furnace was evacuated, argon gas was introduced, and when the inside of the furnace became atmospheric pressure, the heating of the apparatus was started, until the melt was reached, Heated for 12 hours. An iron gallium single crystal cut in the <001> direction was used as a seed crystal, and the seed crystal was lowered to near the melt.
The seed crystal is gradually lowered while rotating at 5 ppm, and the seed crystal is raised at a pulling speed of 1.0 mm / Hr while gradually lowering the temperature by bringing the tip of the seed crystal into contact with the melt. Crystal growth was performed.
As a result, a single crystal alloy having a diameter of 10 mm and a straight body portion length of 80 mm was obtained.
この単結晶合金をウェハ状に切断・研磨し、方位を観察した所、上部は引き上げ方向である方向に(100)面 、z方向と垂直方向となるxおよびy方向には(110)面を有しており、引き上げに用いた種結晶の方位と同じ方位にFe−Ga―Sn合金は成長していた。
同様に、中部および下部においても、上部と同様の結晶方位が維持された状態で結晶は成長していた。
上部および下部のGa濃度はほぼ16.0at%近傍であり、Sn濃度はほぼ2.0at%近傍であった。そのGa及びSnの濃度差は1.0at%程度しかなかった。
Fe−Ga合金の磁歪は結晶方位および組成に敏感あり、Ga濃度が16.0at%近傍及びSn濃度が2.0at%近傍において磁化容易軸である100方向に最も大きな磁歪が生じる。本単結晶合金は、この条件に合致した高品位の単結晶であることを示している。
When this single crystal alloy was cut and polished into a wafer and the orientation was observed, the upper part was the (100) plane in the pulling direction and the (110) plane in the x and y directions perpendicular to the z direction. The Fe—Ga—Sn alloy was grown in the same orientation as that of the seed crystal used for pulling.
Similarly, in the middle part and the lower part, the crystal grew in a state where the same crystal orientation as that of the upper part was maintained.
The upper and lower Ga concentrations were approximately 16.0 at%, and the Sn concentration was approximately 2.0 at%. The Ga and Sn concentration difference was only about 1.0 at%.
The magnetostriction of the Fe—Ga alloy is sensitive to the crystal orientation and composition, and the largest magnetostriction occurs in the 100 direction, which is the easy axis of magnetization, when the Ga concentration is around 16.0 at% and the Sn concentration is around 2.0 at%. This single crystal alloy shows that it is a high-quality single crystal meeting this condition.
(比較例)
図8は単体ルツボを用いた結晶育成装置である。
この装置を用いて、前記実施例と同様の育成を行った。
本例では、実施例に比べてGa濃度のばらつきが大きく、また、結晶配向性は実施例より悪かった。
(Comparative example)
FIG. 8 shows a crystal growing apparatus using a single crucible.
Using this apparatus, the same growth as in the previous example was performed.
In this example, the variation in Ga concentration was larger than that in the example, and the crystal orientation was worse than that in the example.
(実施例2)
図4に示す装置を用いて単結晶の育成を行った。
高周波誘導加熱式チョクラルスキー炉(CZ法)を用いてFeGa単結晶を育成した。
内径Φ70mmのアルミナ製セラミックルツボに出発原料としてFeを80%、Gaを20%の割合に配合した原料700g投入した。
原料を投入したルツボを前記育成炉に投入し、炉内をアルゴンガスにて置換し、1.0L/minの流量でフローを行った。炉内が大気圧となった時点でルツボの加熱を開始し、FeGaの融点に達するまで12時間かけて徐々に加熱した。その後、(100)方位に切り出した単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液近くまで降下させた。この種結晶を毎分4.0回転の速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、実行成長1.8mm/hの速度で種結晶を上昇させて結晶成長を行った。
その結果、直径27mm、直胴部の長さ100mmの単結晶が得られた。この単結晶は、実施例1と同様に良好な特性を有していた。多結晶は存在せず、空洞もない良好な結晶であった。
(Example 2)
Single crystals were grown using the apparatus shown in FIG.
An FeGa single crystal was grown using a high-frequency induction heating type Czochralski furnace (CZ method).
700 g of raw material containing 80% Fe and 20% Ga as starting materials was charged into an alumina ceramic crucible with an inner diameter of 70 mm.
The crucible charged with the raw material was placed in the growth furnace, the inside of the furnace was replaced with argon gas, and flow was performed at a flow rate of 1.0 L / min. When the inside of the furnace became atmospheric pressure, the crucible was started to be heated gradually over 12 hours until reaching the melting point of FeGa. Thereafter, the single crystal cut in the (100) orientation was used as a seed crystal, and the seed crystal was lowered to near the melt. The seed crystal is gradually lowered while rotating at a speed of 4.0 revolutions per minute, and the tip of the seed crystal is brought into contact with the melt and the temperature is gradually lowered, while the effective growth is performed at a speed of 1.8 mm / h. Crystal growth was carried out by raising the seed crystal.
As a result, a single crystal having a diameter of 27 mm and a straight body portion length of 100 mm was obtained. This single crystal had good characteristics as in Example 1. It was a good crystal with no polycrystals and no cavities.
(実施例3)
実施例2と同様に図4に示す装置を用いて単結晶の育成を行った。
高周波誘導加熱式チョクラルスキー炉(CZ法)を用いてFe−Ga単結晶を育成した。
内径Φ40mmのアルミナ製セラミックルツボに出発原料としてFeを80%、Gaを20%の割合に配合した原料200g投入した。
原料を投入したルツボを前記育成炉に投入し、炉内をアルゴンガスにて置換し、0.5L/minの流量でフローを行った。炉内が大気圧となった時点でルツボの加熱を開始し、Fe−Gaの融点に達するまで12時間かけて徐々に加熱した。その後、(110)方位に切り出した単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液近くまで降下させた。この種結晶を毎分12.0回転の速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、実行成長1.8mm/hの速度で種結晶を上昇させて結晶成長を行った。
その結果、直径25mm、直胴部の長さ50mmの単結晶が得られた。この単結晶は、実施例1と同様に良好な特性を有していた。多結晶は存在せず、空洞もない良好な結晶であった。
(Example 3)
A single crystal was grown using the apparatus shown in FIG.
An Fe—Ga single crystal was grown using a high-frequency induction heating type Czochralski furnace (CZ method).
200 g of raw material containing 80% Fe and 20% Ga as starting materials was charged into an alumina ceramic crucible having an inner diameter of Φ40 mm.
The crucible charged with the raw material was put into the growth furnace, the inside of the furnace was replaced with argon gas, and the flow was performed at a flow rate of 0.5 L / min. When the inside of the furnace became atmospheric pressure, the crucible was heated and gradually heated over 12 hours until reaching the melting point of Fe—Ga. Thereafter, the single crystal cut in the (110) orientation was used as a seed crystal, and the seed crystal was lowered to near the melt. The seed crystal is gradually lowered while rotating at a speed of 12.0 revolutions per minute, and the tip of the seed crystal is brought into contact with the melt and the temperature is gradually lowered, while the effective growth is performed at a speed of 1.8 mm / h. Crystal growth was carried out by raising the seed crystal.
As a result, a single crystal having a diameter of 25 mm and a straight body portion length of 50 mm was obtained. This single crystal had good characteristics as in Example 1. It was a good crystal with no polycrystals and no cavities.
(実施例4)
図5に示す装置を用いて単結晶の育成を行った。
高周波誘導加熱式チョクラルスキー炉(CZ法)を用いてFeGa単結晶を育成した。
内径Φ100mmのアルミナ製セラミックルツボに出発原料としてFeを82%、Gaを18%の割合に配合した原料1.0kg投入した。
原料を投入したルツボを前記育成炉に投入し、炉内をアルゴンガスにて置換し、10.0L/minの流量でフローを行った。炉内が大気圧となった時点でルツボの加熱を開始し、FeGaの融点に達するまで12時間かけて徐々に加熱した。その後、(100)方位に切り出した単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液近くまで降下させた。この種結晶を毎分4.0回転の速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、実行成長2.0mm/hの速度で種結晶を上昇させて結晶成長を行った。
その結果、直径40mm、直胴部の長さ150mmの単結晶が得られた。この単結晶は、実施例1と同様に良好な特性を有していた。多結晶は存在せず、空洞もない良好な結晶であった。
Example 4
Single crystals were grown using the apparatus shown in FIG.
An FeGa single crystal was grown using a high-frequency induction heating type Czochralski furnace (CZ method).
As a starting material, an alumina ceramic crucible having an inner diameter of Φ100 mm was charged with 1.0 kg of a raw material containing 82% Fe and 18% Ga.
The crucible charged with the raw material was put into the growth furnace, the inside of the furnace was replaced with argon gas, and the flow was performed at a flow rate of 10.0 L / min. When the inside of the furnace became atmospheric pressure, the crucible was started to be heated gradually over 12 hours until reaching the melting point of FeGa. Thereafter, the single crystal cut in the (100) orientation was used as a seed crystal, and the seed crystal was lowered to near the melt. The seed crystal is gradually lowered while rotating at a speed of 4.0 revolutions per minute, and the tip of the seed crystal is brought into contact with the melt and the temperature is gradually lowered, while the effective growth is performed at a speed of 2.0 mm / h. Crystal growth was carried out by raising the seed crystal.
As a result, a single crystal having a diameter of 40 mm and a length of the straight body portion of 150 mm was obtained. This single crystal had good characteristics as in Example 1. It was a good crystal with no polycrystals and no cavities.
本実施例では、カーボンルツボ2の外径(φc)と前記加熱源である加熱コイル4の外径(φw)との比を0.1−0.8の範囲で0.1ごとに変化させ消費電力を調べた。
1−0.8の範囲ではそれ以外の範囲に比べて消費電力は極めて少なかった。
In this embodiment, the ratio between the outer diameter (φc) of the
In the range of 1-0.8, the power consumption was very small compared to the other ranges.
(実施例5)
図6に示す抵抗加熱式チョクラルスキー炉(CZ法)を用いてFe−Ga単結晶を育成した。
内径Φ70mmの窒化ホウ素製のルツボに出発原料としてFeを80%、Gaを20%の割合に配合した原料700g投入した。原料を投入した窒化ホウ素製のルツボを前記育成炉に投入し、炉内の圧力を減圧雰囲気とし、アルゴンガスを1.0L/minの流量でフローを行った。
その後、ルツボの加熱を開始し、Fe−Gaの融点に達するまで12時間かけて徐々に加熱した。その後、(100)方位に切り出した単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液近くまで降下させた。この種結晶を毎分4.0回転の速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、実行成長2.0mm/hの速度で種結晶を上昇させて結晶成長を行った。
その結果、直径25mm、直胴部の長さ100mmの単結晶が得られた。酸化物による品質の劣化はほとんどなかった。
(Example 5)
A Fe—Ga single crystal was grown using a resistance heating type Czochralski furnace (CZ method) shown in FIG.
700 g of a raw material containing 80% Fe and 20% Ga as starting materials was charged in a boron nitride crucible having an inner diameter of 70 mm. A crucible made of boron nitride charged with raw materials was placed in the growth furnace, the pressure in the furnace was reduced to a reduced pressure atmosphere, and argon gas was flowed at a flow rate of 1.0 L / min.
Thereafter, heating of the crucible was started and gradually heated over 12 hours until reaching the melting point of Fe—Ga. Thereafter, the single crystal cut in the (100) orientation was used as a seed crystal, and the seed crystal was lowered to near the melt. The seed crystal is gradually lowered while rotating at a speed of 4.0 revolutions per minute, and the tip of the seed crystal is brought into contact with the melt and the temperature is gradually lowered, while the effective growth is performed at a speed of 2.0 mm / h. Crystal growth was carried out by raising the seed crystal.
As a result, a single crystal having a diameter of 25 mm and a straight body portion length of 100 mm was obtained. There was almost no deterioration in quality due to oxides.
(参考例)
図6に示すカーボン製加熱ヒータ式チョクラルスキー炉(CZ法)を用いてFe−Ga単結晶を育成した。
内径Φ40mmの窒化ホウ素製のルツボに出発原料としてFeを80%、Gaを20%の割合に配合した原料200g投入した。原料を投入した窒化ホウ素製のルツボを前記育成炉に投入し、石英製の円筒内の圧力を減圧雰囲気とし、アルゴンガスを0.5L/minの流量でフローを行った。
その後、ルツボの加熱を開始し、Fe−Gaの融点に達するまで12時間かけて徐々に加熱した。その後、(110)方位に切り出した単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液近くまで降下させた。この種結晶を毎分12.0回転の速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、実行成長2.0mm/hの速度で種結晶を上昇させて結晶成長を行った。
その結果、直径25mm、直胴部の長さ50mmの単結晶が得られた。酸化物による品質の劣化はほとんどなかった。
( Reference example)
An Fe—Ga single crystal was grown using a carbon heater- type Czochralski furnace (CZ method) shown in FIG.
200 g of a raw material containing 80% Fe and 20% Ga as starting materials was charged into a boron nitride crucible having an inner diameter of Φ40 mm. The crucible made of boron nitride charged with the raw material was put into the growth furnace, the pressure inside the quartz cylinder was reduced to a reduced pressure atmosphere, and argon gas was flowed at a flow rate of 0.5 L / min.
Thereafter, heating of the crucible was started and gradually heated over 12 hours until reaching the melting point of Fe—Ga. Thereafter, the single crystal cut in the (110) orientation was used as a seed crystal, and the seed crystal was lowered to near the melt. The seed crystal is gradually lowered while rotating at a speed of 12.0 revolutions per minute, and the tip of the seed crystal is brought into contact with the melt and the temperature is gradually lowered, while the effective growth is performed at a speed of 2.0 mm / h. Crystal growth was carried out by raising the seed crystal.
As a result, a single crystal having a diameter of 25 mm and a straight body portion length of 50 mm was obtained. There was almost no deterioration in quality due to oxides.
(実施例6)
図7に示す高周波誘導加熱式チョクラルスキー炉(CZ法)を用いてFe−Ga単結晶を育成した。
内径Φ100mmの窒化ホウ素製のルツボに出発原料としてFeを82%、Gaを18%の割合に配合した原料1.0kg投入した。原料を投入した窒化ホウ素製のルツボを前記育成炉に投入し、石英製の円筒内の圧力を減圧雰囲気とし、アルゴンガスを1.0L/minの流量でフローを行った。
その後、ルツボの加熱を開始し、Fe−Gaの融点に達するまで12時間かけて徐々に加熱した。その後、(110)方位に切り出した単結晶を種結晶として用い、種結晶を融液近くまで降下させた。この種結晶を毎分4.0回転の速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、実行成長2.0mm/hの速度で種結晶を上昇させて結晶成長を行った。
その結果、直径40mm、直胴部の長さ150mmの単結晶が得られた。酸化物による品質の劣化はほとんどなかった。
(Example 6 )
An Fe—Ga single crystal was grown using a high-frequency induction heating type Czochralski furnace (CZ method) shown in FIG.
As a starting material, 1.0 kg of a raw material containing 82% Fe and 18% Ga was added to a boron nitride crucible having an inner diameter of Φ100 mm. The crucible made of boron nitride charged with the raw material was put into the growth furnace, the pressure in the quartz cylinder was set to a reduced pressure atmosphere, and argon gas was flowed at a flow rate of 1.0 L / min.
Thereafter, heating of the crucible was started and gradually heated over 12 hours until reaching the melting point of Fe—Ga. Thereafter, the single crystal cut in the (110) orientation was used as a seed crystal, and the seed crystal was lowered to near the melt. The seed crystal is gradually lowered while rotating at a speed of 4.0 revolutions per minute, and the tip of the seed crystal is brought into contact with the melt and the temperature is gradually lowered, while the effective growth is performed at a speed of 2.0 mm / h. Crystal growth was carried out by raising the seed crystal.
As a result, a single crystal having a diameter of 40 mm and a length of the straight body portion of 150 mm was obtained. There was almost no deterioration in quality due to oxides.
1 多孔質アルミナ製耐火材
2 カーボンルツボ(ルツボ)
3 アルミナ製セラミックルツボ(ルツボ)
4 加熱源(加熱コイル)
11 チャンバ
12 引上げ棒
13 保持部材
14 石英管
15 加熱室
16 カーボンフェルト
17 内側ルツボ
18 内側ルツボ
19 外側ルツボ
20 加熱手段(加熱コイル)
21 スペーサー
22 ガス供給部
23 ガス排気部
200 インゴット(単結晶)
210 種結晶
220 肩部
230 直胴部
240 尾部
300 原料融液
350 無機材料(タングステンカーバイド)の粉末
1 Refractory material made of
3 Alumina ceramic crucible (crucible)
4 Heating source (heating coil)
21
210 Seed crystal 220 Shoulder 230 Straight body 240
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