单晶生长方法技术

本发明专利技术提供一种能稳定生长熔融时固液成分不同的化合物的单晶并能控制其生长取向的单晶生长方法。该方法包括如下步骤：将多晶和单晶固定在加热炉中；使多晶与晶种接合；在与晶种接合的相反一端加热多晶，形成熔融区；将熔融区移动到与晶种接合的一端，使熔融区与晶种接触，让其接种；通过将与晶种接触并已接种的熔融区从多晶与晶种接合的一端移动到另一端来生长单晶。（*该技术在2018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，更具体地涉及用于光频隔离器、高温超导电缆等的。含铁的磁性石榴石单晶(如钇-铁石榴石单晶(Y3Fe5O12下文中缩写为“YIG”))具有较大的法拉第效应，它已用作光频隔离器的材料。另外，可将廉价的液氮用作冷却剂的氧化物超导体(如钇-钡-铜氧化物(YBa2Cu3Ox下文中缩写为“YBCO”))一般用作超导电缆的材料。这些化合物称为熔融时固液成分不同的化合物，其单晶不能由具有相同熔融成分的原材料直接得到。因此，所使用的一般需用特定组成的助熔剂。更具体地说，如附图说明图1所示，YIG是一种熔融时固液成分不同的化合物，当温度升高到约1585℃时，它被分解。然而，即使凝固具有其本身化学计量组成的熔体，也不能得到YIG。相反，YIG分解成正铁氧体(YFeO3)和液相。因此，目前采用的YIG是助熔剂法或LPE(液相外延法)，即在一个铂制坩埚中混合氧化铅(PbO)和三氧化二硼(B2O3)制备溶剂，和使用三氧化二铁(Fe2O3)和三氧化二钇(Y2O3)作为溶质溶解在其中的溶液。助熔剂法是将晶种放入上述溶液中，并让其慢慢冷却而形成所需的块状单晶。LPE法是通过在镉-镓-石榴石(Gd3Ga5O12下文中缩写为“GGG”)单晶基底上生长晶体而获得薄膜单晶。另一种已知的是浮动区熔法(下文中简称为FZ法)。FZ法包括在加热炉中放置多晶原料，仅将某一部分加热到熔点以上的温度产生一个熔融区，然后移动熔融区。FZ法的优点是可以避免由坩埚器件引入的杂质(因为这种方法不用坩埚)，可以任意调节气氛，而且可以制造高熔点物质的单晶。另一种已知的FZ法是移动溶剂浮动区熔法(下文中简写为TSFZ法)。生长单晶的TSFZ法包括提供组成和重量都精确控制的晶种溶剂，加热熔化成完全同成分(congruent)，然后与多晶原料结合(S.Kimura等，J.Cryst.Growth，41(1977)192-198)。因为这种方法可由熔体生长熔融时固液成分不同的化合物的块状单晶，所以现在通常用TSFZ法生长氧化物高温超导体的单晶。本专利技术人曾用FZ法生长纤维状YIG单晶，用的是装有YAG激光器作为光学加热装置的YAG激光加热聚焦炉(Collection of Manuscripts of Lecture，the 42ndSpring Lecture Meeting of Asscocition Related to Applied Physics No.1，28-TA-16。1995)。广泛研究的结果，本专利技术人发现当使试样纤维化时，无需有意使用溶剂，直接可从晶种表面生长YIG。研究这种生长机理后，本专利技术人已发现它是一个自动调整的(self-adjusting)反应，其中YFeO3(正铁氧体)(起始相)生长在多晶原料与晶种接触点正下方处的熔融区部分中，而富含铁的剩余液相成为助熔剂(fusingagent)使YIG沉积出来。(Sekijima等，The 27th Domestic Conference On CrystalGrowth，801a1B3，1996)。应当注意为了处理纤维状的细试样，本专利技术人设计的单晶生长装置能比常规光学加热装置产生小得多的熔融区。因此，上述自动调整反应能在非常小的区域内瞬间发生。因为在常规FZ法中正铁氧体起始相淀积在原料与晶种的接合点处，所以不能控制单晶的生长取向。因此，为了控制单晶的生长取向，不得不用TSFZ法生长单晶。然而，技术上难于将溶剂放在晶种上，以获得直径小于3毫米的细晶体。另外，因为溶剂的量非常小，所以也难于控制它的重量。由这些原因产生的问题是，当溶剂的用量不够时，所得单晶的形状变得不稳定，因为生长单晶时组成发生变化。TSFZ方法中另一个难题是，当熔融区中的熔体渗透到多晶原料中时，熔融区的形状变得不稳定，而且熔融区会截断不能生长单晶。由于上述原因，需要一种对既能让熔融时固液成分不同的化合物单晶稳定生长，又能控制生长取向的。本专利技术涉及一种满足上述需求的。上述包括如下步骤将结合的多晶和晶种固定在加热炉中；在与晶种接合的相反一端加热多晶，形成熔融区；将熔融区移动到与晶种接合的一端，使熔融区与晶种接触；通过将与晶种接触并已接种的熔融区从多晶与晶种接合的一端移动到另一端来生长单晶。按照本专利技术，无需单独使用溶剂就可生长熔融时固液成分不同的化合物的单晶。因为可增加原料的密度，所以可高产率地生长高质量的晶体。另外，本专利技术的可以大批量生产尺寸与装置形状相一致的单晶。为了解释本专利技术，附图中展示几种目前优选的形式。然而应当认为，本专利技术不受这些精确排列和设备的限制。图1是一个大气压的氧气下Fe2O3-YFeO3体系的二元相图。图2A是体现本专利技术的单晶生长装置的一个实例的正视图。图2B是图1A中所示单晶生长装置的顶视图。图3A-3F表示本专利技术的工艺步骤。图4表示用本专利技术制得的单晶纤维的一个实例连同晶种的示意图。图5是是体现本专利技术的单晶生长装置的另一个实例的正视图。本专利技术的是这样一种，它将多晶原料与晶种接合处产生的YFeO3放在反应体系之外，并将产生的液相用作溶剂。换句话说，本专利技术是使用由异成分熔融反应产生的自动调整溶剂(液相)的一种。因此，本专利技术的称作自溶剂浮动熔区(SSFZ)法。根据本专利技术的，首先将磁性石榴石(如YIG)或氧化物超导体(如YBCO)的多晶材料和晶种固定在装备了加热装置的加热炉中，并使其相互接合。然后加热多晶与晶种接合处相反一端的多晶，形成熔融区。接着，通过移动加热区，使熔融区移动到与晶种接合的一端。当熔融区到达接合部位时，通过使熔融区与晶种接触一段时间，在熔融区中引入晶种。然后，通过将与晶种接触并引入了晶种的熔融区移动到与晶种接合的相反一端，以使单晶生长。在上述方法中，通过加热熔化与晶种接合处相反一端的多晶原料，引起异成分熔融反应，然后将产生的液相移动到晶种一端，与晶种接合，从而使正铁氧体(YFeO3)处于反应体系之外。因此，产生的液相具有适于YIG沉积的组成。所以，本专利技术的可以控制单晶的生长取向，并能高产率地产生高质量的单晶。另外，根据本专利技术的，将多晶原料加热熔化一次，使多晶原料的密度增加，从而可以抑制熔体渗透到多晶原料中，并能稳定熔融区的形状。因此，可以防止单晶生长过程中熔融区的截断，这样也可稳定所得单晶的形状。根据本专利技术的，多晶可以具有任何形状，如纤维、正方形棒、薄板或基底上的薄膜。这样可以直接生长与装置形状一致的单晶。另外，根据本专利技术的，多晶可以是直径小于3毫米的纤维状细晶体、或正方形棒或宽度小于3毫米的薄板。所述的多晶也可以是在基底上形成的宽度小于3毫米的薄膜。较好用光学加热装置形成熔融区，以在熔融区部分产生陡峭的温度梯度，并能抑制正铁氧体的生长。以下将参照附图更详细地说明本专利技术的优选实施方案。虽然本专利技术的例如可用于生长磁性石榴石单晶或氧化物高温超导体，但以下将以YIG为例加以说明。图2A是体现本专利技术的单晶生长装置的一个实例的正视图。图2B是图2A中所示单晶生长装置的顶视图。单晶生长装置10包括包含光学加热装置的YAG激光发生器12作为主加热装置。两光纤14a和14b形成YAG激光发生器的两个激光束发射口16a和16b。单晶生长装置10也包括机箱17。在机箱17内形成一个立体双椭圆镜18作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单晶生长方法，其特征在于该方法包括如下步骤： 提供具有第一端和第二端的熔融时固液成分不同的多晶和与所述第一端接合的单晶晶种； 加热远离所述第一端的多晶部分，以在该部分多晶处形成熔融区； 将熔融区向多晶的第一端移动，使其与晶种接触； 通过向多晶的第二端移动熔融区，生长单晶。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：关岛雄德，藤井高志，胁野喜久男，冈田正胜，
申请(专利权)人：株式会社村田制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]