单晶制造装置、单晶制造方法及单晶体制造方法及图纸

一种使用下拉法的单晶制造装置，它借助于粉末原料供给装置２０往电炉１０内的预熔板３上供应粉末原料５Ｐ，粉末原料５Ｐ在预熔板３上被熔化而产生原料熔融液５ｍ，借助于使该原料熔融液５ｍ滴下并输入坩埚２内，使原料熔融液５ｍ能连续地供给坩埚２而生长出晶体１８。往粉末原料槽６内的粉末原料５Ｐ中输入干燥空气后，就防止了原料粉末５Ｐ中带有湿气。借助于对输送粉末原料５ｍ的输送管９进行冷却而防止了由于粉末原料５Ｐ的熔化而引起的输送管９的堵塞。由于这些措施，就能廉价地制造出化学组成稳定、直径大而尺寸长的单晶。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及单晶制造技术，特别是用下拉法制造单晶的制造装置、制造方法以及单晶体。
技术介绍
近年来，使用着钽酸锂LiTaO3(以下记作LT)、铌酸锂LiNbO3(以下记作LN)、四硼酸锂Li2B4O7(以下记作LBO)、硅酸镧镓(Langasite)La3Ga3SiO14(以下记作LGS)等氧化物单晶来生产各种表面波器件。这些单晶与石英基片相比，是具有很大的机电结合系数的压电晶体，在有LBO、LGS时还具有零温度系数的切断角，因此，若在表面波器件中使用这些单晶基片，就会使移动电话等终端实现小型化和高功能化等。此外，LT、LN的晶体中，在化学计算组成上就变成Li与Ta的比例为1∶1，Li与Nb的比例亦为1∶1。具有这样组成的晶体晶格无缺陷、无错位，成为理想的晶体构造，由于晶体内折射率恒定，不产生漫反射，因此适于作为光学用材料。上述单晶的生长法大致可分为以下三种方法，即丘克拉斯基法(CZ法)、立式布里奇曼法(VB法)、以及下拉法。如图6所示，丘克拉斯基法(CZ法、旋转上拉法)是一种把要进行结晶的原料放入白金坩埚41中、在电炉42内把原料升温至熔点以上使之熔化、将棒状晶种44的下端部浸入该熔液、借助于使其缓慢旋转同时上拉而使结晶45从晶种44的下端部开始生长的方法。如图7所示，立式布里奇曼法是一种把要结晶的原料放入白金坩埚51中、在电炉52内把原料升温至熔点以上使之熔化后，将板状晶种53伸入白金坩埚51的一端、在电炉52内形成温度梯度的状态下、把晶种53一侧作为顶端将白金坩埚51从高温侧慢慢移向低温侧、借此使结晶从晶种53一侧起顺序生长的方法。下拉法，是由本专利技术的专利技术人之一发表于文献“日本陶瓷协会杂志”(Journal of Ceramic Society of Japan)1997年第7期中的单晶生长法，如图8所示，该法是在底部设有细孔61a的白金坩埚61中放入多晶原料，将此白金坩埚61放置在上侧保持在原料熔点以上、下侧保持在原料熔点以下的电炉62内，温度梯度最急陡的位置使原料熔化，在将棒状晶种63的上端与从白金坩埚61的细孔61a借重力流出的原料熔融液接触的状态下，借助于使晶种63旋转同时下拉以生长晶体。这一下拉法利用了从白金坩埚61的底部细孔61a漏出的原料熔融液对白金坩埚61的润湿性和表面张力，在白金坩埚61与晶种63之间保持住原料熔融液以进行晶体生长。一般来说，LN、LT、LGS等单晶是用旋转上拉法(CZ法)来生长，LBO则主要用立式布里奇曼法(VB法)来生长，但也可用CZ法来生长。然而，以CZ法为代表的现有技术单晶生长法存在着如下的问题。由于原材料熔点的关系，一般要生长LN单晶必须使用白金制的坩埚，生长LT、LGS单晶必须使用铱制的坩埚。此外，由于结晶尺寸的关系，例如要生长直径3英寸的结晶就必须用约4kg的坩埚，要生长直径4英寸的结晶就必须用约5kg的坩埚。若为了保持晶体生长温度稳定而使用后加热器(after heater)，就还需要1-2kg的白金或铱等贵金属。由于大量使用这样的价格昂贵的贵金属，在成本上的负担就会很大。再则，由于采用的是往从坩埚向上拉而生长的单晶上加长的所谓间歇方式，必须在坩埚内熔化相当多的剩余量，同时全部原料必须维持在熔点以上，因此上拉晶体的直径扩大和加长都受限制，再加为适应大型化而采用的电加热器等，耗电量会大幅度增加。再则，由于LN、LT等晶体具有宽广的固溶范围，其化学组成不同于共熔(Congruent melt)组成，因此容易发生生长初期与终期的组成变动。例如，若以纵轴表示温度、横轴表示氧化锂(LiO2)的摩尔比(％)，则LT的状态图(相图)如图9所示。如用这种组成变动的单晶来制作表声波器件，则会产生传播速度和压电常数的偏移，招致产品成品率低下。再则，在CZ法中，作为对原料投入坩埚前的事先处理，为了把五氧化锂Ta2O5和碳酸锂Li2CO3原料进行混合、烧结、粉碎、压缩等以及反应处理和高温处理，由于蒸气压力高的氧化锂Li2O等的蒸发，在制备阶段就会发生组成变动，此外，在结晶生长过程中由于特定物质的蒸发也会发生组成变动。再则，在CZ法中，在晶种附着以后，要经过形成肩形突出部、进行筒体部的生长等次序才能长成单晶棒，但筒体部的生长需要很长的时间，而且为了得到直径误差小的筒体部，必须使用高价格的ADC(自动直径控制)装置，这就使得制造成本加高。再则，从图9可以看出，LN、LT等晶体，在由液相变固相的最高温度点T1处，是在共熔组成下实现结晶。在用CZ法生长晶体时，当把Li和Nb的熔融液放入坩埚并拉起晶种时，在生长初期是在容易结晶的共熔组成(Nb组分较Li为多的晶体)的状态下生长晶体。然而，由于在坩埚内事先是把Li和Nb以1∶1混合的，从而随着晶体生长的进行，熔融液中的Nb与Li相比也越来越少。这样一来，在缓缓结晶中，所生长的晶体中Li的含量就变得比共熔组成多了。总之，在一根晶体中会产生组成不同的部位。因此，CZ法一般地都是预先配成共熔组成的熔融液，并运用能生成共熔组成晶体的时机，但由于此时熔融液不一定能经常处于均一的组成状态，因此很容易产生组成的偏离。这一问题，布里奇曼法也同样存在，因必须预先把所需材料全部放入坩埚，上述的偏离就不可避免。因此，过去用CZ法或布里奇曼法来生长出共熔组成以外的组成、即不一致的组成(首先是化学计算组成)的晶体，是很难的。与此有关的LN、LT内的所谓的共熔组成如下Li/(Li+Nb)×10048％Li/(Li+Ta)×10048％因此，迄今为止，为获得共熔组成(例如在LN、LT场合，Li的组成比例为48.5-50.0％)的晶体，还不得不用其它的方法。例如已知的有“二重坩埚法”这样的单晶生长法，但是，如所周知，所长成的晶体直径甚小，只限于1英寸。将LN、LT作为表声波器件等的压电材料或光学材料来使用的领域中，从生产率方面考虑要求更大的单晶，迫切要求开发出能廉价地生长出组成稳定、直径超过1英寸的晶体的方法。再则，虽然目前直立布里奇曼法已成为生长LBO单晶的标准方法，但每次生长成一个LBO单晶必须准备新的白金坩埚，有制造成本太高的问题。鉴于上述情况，就出现了本专利技术，所要解决的课题是要提供出能廉价制造出化学组成稳定、直径大、尺寸长的单晶的单晶制造装置和单晶制造方法，以及提供出直径超过1英寸的、组成稳定的LN单晶体、LT单晶体等。
技术实现思路
权利要求1所述的本专利技术的单晶制造装置，是在电炉内配置熔化原料用的坩埚，将坩埚的温度保持在该原料的熔点以上，该坩埚底部设有细孔，原料熔融液从这些细孔漏出，用晶种的上端部接触该熔融液，在接触状态下，将晶种旋转同时下拉，以此使晶体生长。其特征在于，该装置中设有粉末原料供给装置和预熔板，粉末原料供给装置用来从上方往坩埚供应粉末原料(粉末状原料)，预熔板用来接受供给装置投入的粉末原料并将其熔化后导入坩埚的熔液收集部分。使用上述结构的单晶制造装置，利用粉末原料供给装置向预熔板上供应粉末原料，粉末原料在预熔板上熔化而生成原料熔融液，借助于将此原料熔融液导入坩埚的熔液收集部分，可使坩埚内得到源源不断的熔融液供应，使从坩埚底部细孔流出的熔融液的量能大致保持一定，与此同时使晶体生长，因此易于制得直径大、尺寸长的单晶。而且，由于从粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单晶制造装置，它是在电炉内配置熔化原料用的坩埚，将坩埚的温度保持在该原料的熔点以上，该坩埚的底部设有细孔，原料熔融液从这些细孔漏出，用晶种的上端部接触该熔融液，在接触状态下，将晶种旋转同时下拉，以此使晶体生长， 其特征在于，该单晶制造装置中设有粉末原料供给装置和预熔板，粉末原料供给装置用来从上方往上述坩埚内设入粉末原料，预熔板用来接受从粉末原料供给装置下来的粉末原料、使之熔化后输入上述坩埚的熔液收集部分。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：永井邦彦，小平纮平，田中启之，坂本英树，
申请(专利权)人：东洋通信机株式会社，小平纮平，
类型：发明
国别省市：JP[日本]