JP7613189B2 - Manufacturing method of FeGa alloy single crystal - Google Patents
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Description
本発明は、鉄ガリウム合金(FeGa合金)単結晶の製造方法に関し、特に、融液を坩堝中で固化させる、垂直ブリッジマン法(Vertical Bridgman method、以下「VB法」と略記する場合がある)により形成された超磁歪特性を有するFeGa合金単結晶の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing iron-gallium alloy (FeGa alloy) single crystals, and in particular to a method for producing FeGa alloy single crystals having super magnetostrictive properties formed by the vertical Bridgman method (hereinafter sometimes abbreviated as the "VB method"), in which a melt is solidified in a crucible.
FeGa合金は、機械加工が可能であり、100~350ppm程度の大きな磁歪を示すため、磁歪式振動発電やアクチュエータ等に用いられる素材として好適であり、近年、注目されている。 FeGa alloys can be machined and exhibit large magnetostriction of about 100 to 350 ppm, making them suitable as materials for magnetostrictive vibration power generation and actuators, and have been attracting attention in recent years.
さらに、FeGa合金は、結晶の特定方位に大きな磁気歪みを現出させることができるため、磁歪部材の磁歪を必要とする方向と結晶の磁気歪みが最大となる方位を一致させた単結晶の部材としての用途が最適であると考えられる。 Furthermore, since FeGa alloys can exhibit large magnetostriction in a specific crystal orientation, it is believed that their best application is as a single crystal component in which the direction in which magnetostriction is required matches the direction in which the crystal magnetostriction is at its maximum.
FeGa合金の多結晶の製造方法においては、粉末冶金法や、急冷凝固法(例えば、特許文献1)、液体急冷凝固法により製造した薄片状や粉末状の原料を加圧焼結して製造する方法(例えば、特許文献2)などが提案されている。しかし、これらの種々の製造方法は、いずれも部材内は単結晶にならず多結晶となり、部材内の全ての結晶方位を磁気歪みが最大となる方位に一致させることは不可能で、単結晶の部材より磁歪特性が劣る。 Manufacturing methods for FeGa alloy polycrystals include powder metallurgy, rapid solidification (e.g., Patent Document 1), and a method of pressurizing and sintering thin or powdered raw materials produced by liquid rapid solidification (e.g., Patent Document 2). However, all of these manufacturing methods result in polycrystals rather than single crystals within the material, and it is impossible to align all the crystal orientations within the material with the orientation that maximizes magnetostriction, resulting in inferior magnetostriction properties to single crystal materials.
一方で、単結晶の製造には、引き上げ法がある。例えば、特許文献3には、引き上げ法(チョクラルスキー法)による単結晶の育成方法が記載されている。しかしながら、この方法は、高周波誘導加熱方式により原料融解を行うため、電源コストが高くなる。また、装置構成が複雑であり、装置コストが高いため、引き上げ法では結果的に製造コストが高くなってしまう。 On the other hand, there is a method for producing single crystals, the pulling method. For example, Patent Document 3 describes a method for growing single crystals using the pulling method (Czochralski method). However, this method requires high power costs because the raw material is melted using high-frequency induction heating. In addition, the equipment configuration is complex and the equipment costs are high, so the pulling method ultimately results in high manufacturing costs.
このように、特許文献1~3に記載の従来の方法では、FeGa合金の単結晶を廉価かつ大量に製造することは困難である。 As such, it is difficult to mass-produce FeGa alloy single crystals at low cost using the conventional methods described in Patent Documents 1 to 3.
これらと比較し、融液を坩堝中で固化させるVB法であれば、超磁歪特性を有するFeGa合金単結晶を廉価に製造することができる。VB法では、予めFeGa合金種結晶とFeGa混合原料を入れた坩堝を、ヒーターで加熱してFeGa混合原料を融解させたあと、一定の速度で坩堝を低下させて坩堝をヒーターから遠ざけることで融液を固化させてFeGa単結晶を育成し、常温となったらFeGa単結晶を取り出す。その後、FeGa合金単結晶を所望のサイズに切断加工し磁歪板を得る。つまり、育成したFeGa合金単結晶が大きいほど多くの磁歪板が得られる。 In comparison, the VB method, in which the melt is solidified in a crucible, allows for the inexpensive manufacture of FeGa alloy single crystals with giant magnetostrictive properties. In the VB method, a crucible containing a FeGa alloy seed crystal and a FeGa mixed raw material is heated with a heater to melt the FeGa mixed raw material, and then the crucible is lowered at a constant speed to move the crucible away from the heater to solidify the melt and grow an FeGa single crystal. When the temperature reaches room temperature, the FeGa single crystal is removed. The FeGa alloy single crystal is then cut to the desired size to obtain a magnetostrictive plate. In other words, the larger the grown FeGa alloy single crystal, the more magnetostrictive plates can be obtained.
しかしながら、VB法においては、種結晶の上部に鉄とガリウムの混合物を配置し、当該混合物を融解した後に、種結晶の結晶方位を引き継ぎながら融解物を種結晶側から固化する必要がある。FeGa合金は不一致溶融性結晶であり、状態図において固相線と液相線が一致せず、ガリウム含有量が原子量%で17~19%の場合には固相線と液相線との温度差が約70~80℃となる。 However, in the VB method, a mixture of iron and gallium is placed on top of a seed crystal, the mixture is melted, and then the melt is solidified from the seed crystal side while retaining the crystal orientation of the seed crystal. FeGa alloys are incongruently melting crystals, and the solidus and liquidus do not coincide in the phase diagram. When the gallium content is 17-19% by atomic weight, the temperature difference between the solidus and liquidus is approximately 70-80°C.
そのため、VB法で大きいFeGa合金単結晶を育成しようとすると、融解物が種結晶をすべて融解してしまう場合や、シーディングができたとしても育成中に多結晶化してしまい、目的の結晶方位で単結晶を育成できない状態が発生することがあった。 As a result, when attempting to grow large FeGa alloy single crystals using the VB method, there are cases where the molten material melts the entire seed crystal, or even if seeding is successful, the crystal becomes polycrystalline during growth, making it impossible to grow a single crystal with the desired crystal orientation.
そこで本発明は、このような事情に鑑み、垂直ブリッジマン法によるFeGa合金単結晶の製造方法であって、結晶育成において種結晶すべてが融解することを防止し、かつ、安定して単結晶を育成することができるFeGa合金単結晶の製造方法を提供することを目的とする。 In view of these circumstances, the present invention aims to provide a method for producing FeGa alloy single crystals using the vertical Bridgman method, which prevents all of the seed crystals from melting during crystal growth and allows stable growth of the single crystal.
上記課題を解決するため、本発明のFeGa合金単結晶の製造方法は、断熱材に囲まれ、円筒状のヒーターを備える第1育成炉と、鉛直方向で前記第1育成炉の下部に位置し、断熱材に囲まれてヒーターを備えない第2育成炉と、前記第1育成炉と前記第2育成炉をつなぐ円筒状の開口部を有する断熱層と、前記開口部を介して、坩堝を前記第1育成炉と前記第2育成炉とを昇降させる坩堝台と、を備える育成炉を使用する垂直ブリッジマン法によるFeGa合金単結晶の製造方法であって、前記坩堝内で原料の下部に配された種結晶を前記第1育成炉から前記開口部へ下降させて、前記ヒーターにより加熱されて融解した前記原料と、前記種結晶をシーディングするシーディング工程と、前記シーディング工程後、育成速度が1mm以下/時間の条件でFeGa合金単結晶を育成する育成工程と、を含み、前記断熱層の開口部は、高さ/開口断面積=0.0035以上の条件を満たす円筒状である。 In order to solve the above problems, the method for producing a FeGa alloy single crystal of the present invention is a method for producing a FeGa alloy single crystal by a vertical Bridgman method using a growth furnace including a first growth furnace surrounded by a heat insulating material and equipped with a cylindrical heater, a second growth furnace located below the first growth furnace in the vertical direction, surrounded by a heat insulating material and not equipped with a heater, a heat insulating layer having a cylindrical opening connecting the first growth furnace and the second growth furnace, and a crucible stand for raising and lowering a crucible between the first growth furnace and the second growth furnace through the opening, the seed crystal arranged below the raw material in the crucible is lowered from the first growth furnace to the opening, and the raw material heated and melted by the heater is seeded with the seed crystal, and after the seeding step, a growth step for growing a FeGa alloy single crystal under the condition of a growth speed of 1 mm or less/hour, and the opening of the heat insulating layer is cylindrical and satisfies the condition of height/opening cross-sectional area = 0.0035 or more.
前記シーディング工程では、前記坩堝内の温度を鉛直方向に下から上へ高くなるように、かつ当該坩堝内の温度勾配が2.5~5.5℃/mmの範囲内となるように調整してもよい。 In the seeding process, the temperature in the crucible may be adjusted so that it increases vertically from bottom to top, and the temperature gradient in the crucible is within the range of 2.5 to 5.5°C/mm.
前記坩堝は、外寸が74mm角で高さが200mm、内寸が66mm角で高さが196mm、厚みが4mmであってもよい。 The crucible may have outer dimensions of 74 mm square and 200 mm height, and inner dimensions of 66 mm square and 196 mm height and 4 mm thickness.
本発明であれば、垂直ブリッジマン法によるFeGa合金単結晶の製造方法であって、結晶育成において種結晶すべてが融解することを防止し、かつ、安定して単結晶を育成することができるFeGa合金単結晶の製造方法を提供することができる。 The present invention provides a method for producing FeGa alloy single crystals using the vertical Bridgman method, which prevents all of the seed crystals from melting during crystal growth and allows for stable growth of single crystals.
以下、本発明の一実施形態にかかるFeGa合金単結晶の製造方法について、図面を参照しつつ、より具体的に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能である。 The method for producing a FeGa alloy single crystal according to one embodiment of the present invention will be described in more detail below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following examples, and can be modified as desired without departing from the gist of the present invention.
[単結晶育成装置]
本発明のFeGa合金単結晶の製造方法は、例えば図1に示す鉄ガリウム合金の単結晶を育成する育成炉1000を使用することができる。育成炉1000は、第1育成炉100、第2育成炉200、断熱層300、坩堝台400を備える。
[Single crystal growth equipment]
The method for producing a FeGa alloy single crystal of the present invention can use, for example, a
〈第1育成炉100〉
第1育成炉100は、断熱材110に囲まれ、円筒状のヒーター120を備える。単結晶育成用坩堝10内に配されたFeGa合金の原料を溶解させ、その後シーディングを行うために用いられる炉である。
<
The
(断熱材110)
断熱材110は第1育成炉100を円筒状に形成することができ、第1育成炉の内部に更にヒーター120が配され、ヒーター120の内側に単結晶育成用坩堝10を配する構成となっている。断熱材110の材質は、特に制限はなく、例えば、カーボン、窒化ホウ素(BN)、窒化ケイ素(Si3N4)、ムライト(3Al2O3・2SiO2~2Al2O3・SiO2)およびアルミナ(Al2O3)等が挙げられる。
(Thermal insulation material 110)
The
(ヒーター120)
ヒーター120は、断熱材110の内側に配されており、カーボン製の抵抗加熱ヒーターを用いることができる。FeGa合金単結晶の育成時に、ヒーター120によりホットゾーンを形成することができる。ヒーター120としては、図3に示すように上段ヒーター120a、中段ヒーター120bおよび下段ヒーター120cとで構成されたヒーターを用いてもよい。これらのヒーター120a~120cへの投入電力をそれぞれ調整することにより、ヒーター120の内側にホットゾーンを形成することができ、また、ホットゾーン内の温度勾配をより厳密に制御することが可能となっている。例えば、第1育成炉100内の上部が高温、下部が低温となる温度分布を実現することが可能となっている。
(Heater 120)
The
〈第2育成炉200〉
第2育成炉200は、鉛直方向で第1育成炉100の下部に位置し、断熱材210に囲まれており、ヒーターは備えない炉である。シーディング後のFeGa合金の原料を冷却して固化させるために用いられる炉である。
<
The
(断熱材210)
断熱材210は第2育成炉200を円筒状に形成することができる。断熱材210の材質は、特に制限はなく、例えば、カーボン、窒化ホウ素(BN)、窒化ケイ素(Si3N4)、ムライト(3Al2O3・2SiO2~2Al2O3・SiO2)およびアルミナ(Al2O3)等が挙げられる。
(Thermal insulation material 210)
The
(電極220)
第2育成炉200には、ヒーター120に電流を加えるための電極220が配されている。ヒーター120はネジ130によって電極220に固定されている。電極220およびネジ130は例えばカーボン製のものを用いることができる。
(Electrode 220)
An
〈断熱層300〉
断熱層300は、第1育成炉100と第2育成炉200をつなぐ円筒状の開口部310を有する(図1、2)。断熱層300は、鉛直方向で第1育成炉100と第2育成炉200の間に配され、開口部300の直径は円筒状の第1育成炉100および第2育成炉200の直径よりも小さく、単結晶育成用坩堝10を支持する支持台20を載せる融液受け皿30が若干の隙間を有して通過できる程度に開口している。このような狭い開口部310を有する断熱層300を第1育成炉100と第2育成炉200の間に配することで、単結晶育成用坩堝10を第1育成炉100から第2育成炉200へ移動させる際に、特に単結晶育成用坩堝10が開口部300を通過中に、ヒーター120により発せられた熱が第1育成炉100から第2育成炉200へ侵入することを抑制することができる。その結果として、第2育成炉200の内部温度の上昇を抑制できることで、シーディング後の種結晶が熱によって完全に融解してしまうことを防止できる。
<
The
断熱層300の材質は、特に制限はなく、例えば、カーボン、窒化ホウ素(BN)、窒化ケイ素(Si3N4)、ムライト(3Al2O3・2SiO2~2Al2O3・SiO2)およびアルミナ(Al2O3)等が挙げられる。
The material of the
(開口部310)
図2は、断熱層300の概略図であり、図2(a)は断熱層300の平面図、図2(b)は断熱層300の側面断面図である。断熱層300の開口部310は、高さH/開口断面積=0.0035以上の条件を満たす円筒状である。開口断面積は、開口部の半径をrとすると、πr2により算出する。
(Opening 310)
2A is a schematic diagram of the insulating
高さH/開口断面積=0.0035以上の条件を満たすことにより、単結晶育成用坩堝10を第1育成炉100から第2育成炉200へ移動させる際に、特に単結晶育成用坩堝10が開口部310を通過中に、ヒーター120により発せられた熱が第1育成炉100から第2育成炉200へ侵入することを抑制することができる。その結果として、第2育成炉200の内部温度の上昇を抑制できることで、シーディング後の種結晶が熱によって完全に融解してしまうことを防止できる。
By satisfying the condition of height H/opening cross-sectional area = 0.0035 or more, when the single
なお、高さH/開口断面積=0.0035未満の場合には、断熱層300の断熱効果が不十分となり、単結晶育成用坩堝10が開口部310を通過中に、ヒーター120により発せられた熱が第1育成炉100から第2育成炉200へ侵入することを十分に抑制することができず、シーディング後の種結晶が熱によって完全に融解してしまう場合がある。
If the height H/opening cross-sectional area is less than 0.0035, the insulating effect of the insulating
〈坩堝台400〉
坩堝台400は、開口部310を介して、単結晶育成用坩堝10を第1育成炉100と第2育成炉200とを昇降させることのできる台である。坩堝台400は、融液受け皿30を載せるステージ410と、ステージ410を昇降させるアーム420、アーム420を収納する収納ボックス430を備える。
<Crucible Stand 400>
The crucible stand 400 is a stand that can raise and lower the single
坩堝台400が単結晶育成用坩堝10を第1育成炉100と第2育成炉200とを昇降させることで、ヒーター120を有する第1育成炉100でFeGa合金の原料を融解させ、種結晶とシーディングし、その後、ヒーターの無い第2育成炉200で原料を固化させてFeGa合金単結晶を育成することができる。
The crucible stand 400 raises and lowers the single
(他の構成)
育成炉1000は、上記の構成に加え、更なる構成を備えてもよい。例えば、単結晶育成用坩堝10の温度を測定して単結晶育成用坩堝10内の原料、種結晶、固化したFeGa合金単結晶の温度を把握することのできる熱電対15、育成炉1000内を真空雰囲気に調整することのできる真空ポンプ、育成炉1000を覆って炉内の雰囲気を維持することのできるチャンバー、アルゴンや窒素等の不活性ガスをチャンバー内へ導入することのできる不活性ガス導入手段等を備えることができる。
(Other configurations)
The
〈単結晶育成用坩堝10〉
単結晶育成用坩堝10の材質は、FeGa合金単結晶と化学的反応性が低く、高融点材料であるアルミナが好ましい。また、マグネシア、熱分解窒化ホウ素(Pyrolitic Boron Nitride)でもよい。また、上方側が開放された単結晶育成用坩堝10には、同じ材質の蓋を被せてもよい。
<
The material of the
単結晶育成用坩堝10内の下部に、FeGa合金種結晶16が充填され、このFeGa合金種結晶16の上に、鉄とガリウムの混合物17が充填される。
The lower part of the single
単結晶育成用坩堝10をVB法に用いて、鉄とガリウムの混合物の融解物17を単結晶育成用坩堝10中で固化させることで、FeGa合金単結晶を育成することができる。
The
図4に単結晶育成用坩堝10の一例として概略図を示す。図4aは斜視図であり、図4bは断面図である。単結晶育成用坩堝10は、原料を投入する部分10a、種結晶を投入する部分10c、部分10aと部分10cをつなぐテーパー状の部分10bを備える。例えば、外寸W1が74mm角、内寸W2が66mmで坩堝の厚みは均一であり、高さH1が200mm、部分10aの高さH3が150mm、部分10aと部分10bの高さの合計H2が170mm、内寸高さH4が196mmの坩堝を使用することができる。
Figure 4 shows a schematic diagram of an example of a
(支持台20)
支持台20は、単結晶育成用坩堝10が倒れないように支持する台である。単結晶育成用坩堝10は底に向けて細くなって重心が高いために倒れやすいので、支持台20で支えることで単結晶育成用坩堝10が倒れないようにする。例えば、アルミナ製で円筒状の台を支持台20として用いることができる。
(Support base 20)
The support stand 20 is a stand that supports the single
(融液受け皿30)
融液受け皿30は、FeGa合金単結晶の原料の融解やシーディング、単結晶の育成中に単結晶育成用坩堝10が万が一破損してしまった場合に、坩堝から漏れた原料融液を受け止める役割を担う。
(Melt tray 30)
The
例えば、図5の概略側面断面図に示すように、アルミナ製で底31と側壁32を備える皿を融液受け皿30として用いることができ、外寸の直径Rは108mmに設定することができる。
For example, as shown in the schematic side cross-sectional view of FIG. 5, a dish made of alumina and having a bottom 31 and
また、融液受け皿30の直径Rと断熱層300の開口部310の直径との差を5mm~15mmに設定することができる。差がこの範囲内であれば、単結晶育成用坩堝10を第1育成炉100から第2育成炉200へ移動させる際に、特に単結晶育成用坩堝10が開口部310を通過中に、ヒーター120により発せられた熱が第1育成炉100から第2育成炉200へ侵入することを抑制することができる。その結果として、第2育成炉200の内部温度の上昇を抑制できることで、シーディング後の種結晶が熱によって完全に融解してしまうことを防止できる。
The difference between the diameter R of the
[FeGa合金単結晶の製造方法]
次に、本発明の一実施形態にかかるFeGa合金単結晶の製造方法として、図1に示す育成炉1000を使用する製造方法について説明する。
[Method for producing FeGa alloy single crystal]
Next, a method for producing a FeGa alloy single crystal according to one embodiment of the present invention will be described, which uses a
超磁歪特性を有するFeGa合金単結晶は、例えば鉄とガリウムの融解物を坩堝中で固化させて育成することができ、本発明では、第1育成炉と、第2育成炉と、断熱層と、坩堝台と、を備える育成炉を使用し、VB法によりFeGa合金単結晶を育成する。なお、育成炉における断熱層の開口部は、高さ/開口断面積=0.0035以上の条件を満たす円筒状である。 FeGa alloy single crystals having super magnetostrictive properties can be grown, for example, by solidifying a melt of iron and gallium in a crucible. In the present invention, a growth furnace equipped with a first growth furnace, a second growth furnace, an insulating layer, and a crucible stand is used to grow FeGa alloy single crystals by the VB method. The opening of the insulating layer in the growth furnace is cylindrical and satisfies the condition of height/cross-sectional area of opening = 0.0035 or more.
〈シーディング工程〉
本発明の製造方法は、単結晶育成用坩堝10内で原料(鉄とガリウムの混合物17)の下部に配されたFeGa合金種結晶16を第1育成炉100から開口部310へ下降させて、ヒーター120により加熱されて融解した原料と、FeGa合金種結晶16をシーディングするシーディング工程を含む。
Seeding process
The manufacturing method of the present invention includes a seeding step in which a FeGa
〈育成工程〉
また、本発明の製造方法は、シーディング工程後、育成速度が1mm以下/時間の条件でFeGa合金単結晶を育成する育成工程を含む。
<Growth process>
Furthermore, the manufacturing method of the present invention includes, after the seeding step, a growing step of growing an FeGa alloy single crystal at a growth rate of 1 mm/hour or less.
本発明のFeGa合金単結晶の製造方法は、シーディング工程および育成工程の他に、更なる工程を含んでもよい。以下、図3を参照しつつ、坩堝配置工程、融解工程、気泡除去工程、シーディング工程、育成工程の各工程について説明する。 The method for producing a FeGa alloy single crystal of the present invention may include additional steps in addition to the seeding step and the growing step. Below, the crucible placement step, melting step, bubble removal step, seeding step, and growing step will be described with reference to FIG. 3.
VB法では、まず、単結晶育成用坩堝10の下部に主面方位が<100>方位のFeGa合金種結晶16を配置する。そして、FeGa合金種結晶16の上には、原料である鉄とガリウムの混合物17を必要量配置し(図3(a)坩堝配置工程)、その後坩堝10に適宜蓋を被せる。
In the VB method, first, an FeGa
次に、育成炉1000内にアルゴンや窒素等の不活性ガスを流し、育成炉1000内を不活性雰囲気に調整する。窒化ガリウム等が生成するおそれがある場合には、アルゴンガスを導入することが好ましい。育成炉1000内が不活性雰囲気となった後、単結晶育成用坩堝10を囲むように配置された上段ヒーター120a、中段ヒーター120bおよび下段ヒーター120cを作動して、昇温し、鉄とガリウムの混合物17の融解を開始し、原料融液18とする(図3(b)融解工程)。
Next, an inert gas such as argon or nitrogen is flowed into the
鉄とガリウムの混合物17がほぼ融解して融解物となったら、真空ポンプを作動して、育成炉1000内を減圧し、融解物中の気泡を取り除く(気泡除去工程)。
When the iron and
気泡除去工程後、育成炉1000内にアルゴンや窒素等の不活性ガスを流し、再び育成炉1000内を不活性雰囲気に調整した後、単結晶育成用坩堝10の内部でFeGa合金単結晶を育成する(図3(d)育成工程)。具体的には、ヒーター120を用いて、FeGa合金種結晶16および融解物(鉄とガリウムの混合物17)が収納され、蓋を被せられた単結晶育成用坩堝10を、高さ方向の上方の温度が高く、下方の温度が低い温度分布となるように加熱する。この状態で、育成炉1000内の温度を、FeGa合金種結晶16が高さ方向の上半分位まで融解する位置まで可動用ロッド13を可動させて坩堝10を上昇させてシーディングを行う(図3(c)シーディング工程)。
After the bubble removal process, an inert gas such as argon or nitrogen is flowed into the
その後、そのまま育成炉1000内の温度勾配を維持しながら、単結晶育成用坩堝10の降下速度を1mm以下/時間の範囲で設定し、一定速度でアーム420を可動させ単結晶育成用坩堝10を下降させてFeGa合金単結晶16を育成し(図4(d)育成工程)、すべての融解物を固化させる。尚、単結晶育成用坩堝10の降下速度を1mm/時間より速くすると、多結晶化してしまい、FeGa合金単結晶を育成することができない。
After that, while maintaining the temperature gradient in the
坩堝10の下降が終了して単結晶の育成が終了した後(図3(e))、所定速度で冷却を行ってFeGa合金19を得る(冷却工程)。
After the lowering of the
次に、育成炉1000内の温度が室温程度になったことを確認した後、育成された単結晶が入った単結晶育成用坩堝10を坩堝台400から取り外し、さらに蓋を取って単結晶育成用坩堝10から育成された単結晶を取り出す。
Next, after confirming that the temperature inside the
ここで、シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度を鉛直方向に下から上へ高くなるように、かつ単結晶育成用坩堝10内のシーディング時の温度勾配が、2.5~5.5℃/mmとなるよう、シーディング位置およびヒーター120の投入電力は調整されている。このような温度勾配とすることで、FeGa合金種結晶16が完全に融解することをより確実に防止できる。
Here, the seeding position and the input power of the
単結晶育成用坩堝10内の温度勾配が2.5℃/mm未満の場合、FeGa合金種結晶16が高温となって完全に融解してしまうおそれがある。一方で、ヒーター出力上昇による消費電力の増加、および融解物上面からのガリウム蒸気の発生を抑えるために、上記温度勾配を5.5℃/mm以下とする。また、温度勾配が6.5℃/mmとなるシーディング位置を調査しようとしたが、高温のため白金ロジウム製の熱電対50が温度測定中に断線したため、中断した。
If the temperature gradient in the single
本発明のFeGa合金単結晶の製造方法では、鉄ガリウム合金種結晶16がすべて融解することを防止できる。FeGa合金は不一致溶融性結晶のため、FeGa合金中のガリウム含有量が原子量%で18%の場合において、状態図上の固相線と液相線の温度差は約75℃となる。そのため、鉄ガリウム合金種結晶16を完全に融解させないためには、鉄ガリウム合金種結晶16の上下方向に75℃以上の温度差が必要になる。通常は、鉄ガリウム合金種結晶16の上下方向の長さを30mmにしているため、鉄ガリウム合金種結晶16を完全に融解させないためには、鉄ガリウム合金種結晶16の上下方向に75℃以上の温度差を設けるべく、単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を2.5℃/mm以上とする必要がある。
The method for producing a FeGa alloy single crystal of the present invention can prevent the iron gallium
シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を高く設定することで、より広い範囲での単結晶育成用坩堝10の降下速度での単結晶育成が可能となる。しかし、シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を高く設定すると、ヒーター出力が高くなる。これに伴い、融解物の蒸発量が増え、断熱材110、ヒーター120、坩堝台400等に付着し、清掃が必要となる。融解物の蒸発量を抑えるために、単結晶育成用坩堝10に蓋を被せる方が好ましい。融解物の蒸発量は、シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を6.0℃/mm以上に設定した場合に、ヒーターの出力により激しくなる。よって、シーディング時における単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を5.5℃/mm以下とするのがよい。
By setting the temperature gradient in the
以下、本発明について、実施例および比較例を挙げてさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
まず、室温20℃の環境下で、化学量論比で鉄とガリウムの比率が82:18になるように、すなわちガリウム含有量が原子量%で18.0%となるように、メディアン径が約1mmの粒状鉄原料(純度:99.9%)とガリウム原料(純度:99.99%)を秤量した。秤量したガリウム原料をテフロン(登録商標)容器に投入し、湯煎により融解した。さらに、融解したガリウム原料へ鉄原料を投入し、容器内で攪拌を行った後、室温まで冷却し、混合原料である鉄とガリウムの混合物17を作製した。
[Example 1]
First, in an environment of
そして、図4に示す外寸W1が74mm角、内寸W2が66mmで坩堝の厚みは均一であり、高さH1が200mm、部分10aの高さH3が150mm、部分10aと部分10bの高さの合計H2が170mm、内寸高さH4が196mmの緻密質アルミナ製の単結晶育成用坩堝10内の下部に、あらかじめガリウム含有量を調整したFeGa合金種結晶16(ガリウム含有量が原子量%で17%、直径5mmおよび長さ30mmの円柱形状)を充填し、かつ、当該FeGa合金種結晶16の上に鉄とガリウムの混合物17を充填した。このとき、FeGa合金種結晶16には、主面方位が<100>方位である結晶を使用した。
Then, in the lower part of the
次に、単結晶育成用坩堝10の開口部10dに、緻密質アルミナの焼結物製の蓋を被せた。そして、FeGa合金種結晶16と鉄とガリウムの混合物17が充填された単結晶育成用坩堝10を、図1に示すように、ステージ410に載置された融液受け皿30に配された支持台20に載せて、熱電対15の先端部を単結晶育成用坩堝10の側面に接触させた。融液受け皿30は、アルミナ製で底31と側壁32を備え、高さ90mm、外寸の直径Rは108mmのものを使用した。また、断熱材110、210および断熱層300はアルミナ製のものを使用した。
Next, the
図1に示す育成炉1000において、断熱層300としては、高さHが40mm、開口部310の半径が60mm、開口断面積が11300mm2、高さH/開口断面積=0.0035の断熱層を用いた。
In the
次に、アーム420を駆動させてステージ410を第2育成炉200内の最下部にセットした。その後、育成炉1000内にアルゴンガスを導入し、育成炉1000内を大気圧のアルゴン雰囲気に調整した。また、カーボン製の抵抗加熱ヒーター120からなる上段ヒーター120a、中段ヒーター120bおよび下段ヒーター120cとしては、独立に制御可能なものを使用した。
Next, the arm 420 was driven to set the
そして、上段ヒーター120aの温度を1500℃、中段ヒーター120bの温度を1400℃、下段ヒーター120cの温度を1300℃の温度幅で設定し、育成炉1000内の昇温を行った。昇温が終了して育成炉1000内の温度が安定した後、アーム420を駆動させてステージ410を上昇させることにより、単結晶育成用坩堝10を緩やかな速度で第1育成炉100へ上昇させた。第1育成炉100内には上部の温度が高く、下部の温度が低い温度勾配がつくられているので、第1育成炉100の上部に移動するに従って単結晶育成用坩堝10内の温度が上昇し、鉄とガリウムの混合物17が融解してその融解物が形成された。
Then, the temperature of the upper heater 120a was set to 1500°C, the temperature of the
なお、上段ヒーター120aの温度1500℃は、単結晶育成用坩堝10の温度勾配が3.0℃/mmになるように設定した。この時、中段ヒーター120bの温度を1400℃、下段ヒーター120cの温度を1300℃に設定し、単結晶育成用坩堝10の移動速度は、2mm/時間とした。FeGa組成はFeGa合金単結晶中のガリウム含有量が原子量%で18%であり、この場合のFeGa合金の固化温度が約1450℃であるので、熱電対15の先端の測定温度が1450℃となるときの単結晶育成用坩堝10の位置をシーディング位置とした。その結果、上段ヒーター12aの温度を1500℃とすればよいことがわかった。
The temperature of the upper heater 120a was set to 1500°C so that the temperature gradient of the single
混合原料がほぼ融解して融解物となったら、育成炉1000内へのアルゴンガスの導入を抑え、真空ポンプを使用して350Paまで育成炉1000内を減圧し、そのまま、約30分間保持した。次に200Pa以下となるまで2.5Pa/分の勾配で60分かけて徐々に減圧し、融解物中の気泡を除去した(気泡除去工程)。気泡除去工程後、アルゴンガスの導入を再開し、育成炉1000内を1気圧の不活性雰囲気に調整した。
When the mixed raw materials were almost melted and turned into a molten material, the introduction of argon gas into the
上記融解物が形成された単結晶育成用坩堝10の位置する付近で、熱電対15の接触点位置の温度をモニターしながら、アーム420を駆動させて単結晶育成用坩堝10内の温度勾配を3.0℃/mmに維持しつつ、単結晶育成用坩堝10をシーディング位置まで数mm上昇させて温度を安定させた。この工程を繰り返して、熱電対15の温度が安定した状態で1350~1400℃の範囲になるよう単結晶育成用坩堝10を上昇させた。単結晶育成用坩堝10を保持する位置が定まったら、3時間保持してシーディングを行った。シーディングを行った後、上段ヒーター120aの温度を1500℃、中段ヒーター120bの温度を1400℃、下段ヒーター120cの温度を1300℃に維持しつつ、アーム420を駆動させて単結晶育成用坩堝10の降下速度を1mm/時間、すなわちFeGa合金単結晶の育成速度を1mm/時間として、単結晶育成用坩堝10を降下させ、FeGa合金単結晶の育成を開始した。単結晶育成用坩堝10の降下距離が100mmとなった後、育成を終了した。
While monitoring the temperature at the contact point of the
実施例1において、原料の融解からシーディングまではヒーター120のある第1育成炉100に単結晶育成用坩堝10が配されており、シーディング後の単結晶育成は、原料融液18の上端位置(液面)が第1育成炉100の最下部付近まで移動した時に開始し、上端位置が断熱層300の開口部310の下端付近に移動した時に終了した。また、第1育成炉100から第2育成炉へ下降する際の坩堝の移動速度も、1mm/時間とした。
In Example 1, the
上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したインゴットを取り出したところ、FeGa合金種結晶16の下端部には融解は見られず、FeGa合金種結晶16の全てが融解しなかったことから、正常にシーディングできたことを確認した。さらに、育成されたFeGa合金の単結晶を切断し、結晶内部を観察したが、目視で確認できるような空孔等の欠陥は確認されなかったことから、単結晶を問題なく育成できたことを確認した。
After the growth of the single crystal was completed, the grown ingot was removed from the single
また、上記を10回繰り返し、FeGa合金単結晶のインゴットを10本製造した。いずれのインゴットにおいても、上記と同様の結果となり、正常にシーディングができ、安定してFeGa合金単結晶のインゴットを製造することができた。 The above process was repeated 10 times to produce 10 ingots of FeGa alloy single crystal. The results were the same for each ingot, showing that seeding was successful and that ingots of FeGa alloy single crystal could be stably produced.
[比較例1]
単結晶育成用坩堝10の降下速度を2mm/時間、すなわちFeGa合金単結晶の育成速度を2mm/時間とした。その他の条件は実施例1と同じにしてFeGa合金単結晶の製造操作を行った。
[Comparative Example 1]
The lowering speed of the
上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したインゴットを取り出して切断し、インゴットの内部を観察したが、粒界が観察され、多結晶化していた。また、上記の育成を10回繰り返したが、10本共に多結晶化していた。
After the above single crystal growth was completed, the grown ingot was removed from the single
[比較例2]
単結晶育成用坩堝10の降下速度を5mm/時間、すなわちFeGa合金単結晶の育成速度を5mm/時間とした。その他の条件は実施例1と同じにしてFeGa合金単結晶の製造操作を行った。
[Comparative Example 2]
The lowering speed of the
上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したインゴットを取り出して切断し、インゴットの内部を観察したが、粒界が観察され、多結晶化していた。また、上記の育成を10回繰り返したが、10本共に多結晶化していた。
After the above single crystal growth was completed, the grown ingot was removed from the single
[比較例3]
図1に示す育成炉1000において、断熱層300としては、高さHが20mm、開口部310の半径が60mm、開口断面積が11300mm2、高さH/開口断面積=0.0018の断熱層を用いた。そして、単結晶育成用坩堝10の降下速度を5mm/時間、すなわちFeGa合金単結晶の育成速度を5mm/時間とした。これら以外は、実施例1と同様に鉄とガリウムの混合物17を作製し、単結晶の育成を行った。
[Comparative Example 3]
In the
上記単結晶の育成終了後、単結晶育成用坩堝10から育成したインゴットを取り出して切断し、インゴットの内部を観察したが、粒界が観察され、多結晶化していた。また、上記の育成を10回繰り返したが、10本共に多結晶化していた。
After the above single crystal growth was completed, the grown ingot was removed from the single
実施例1および比較例1~3における断熱層300の開口部310の寸法、FeGa合金単結晶の育成速度、シーディング工程における単結晶育成用坩堝10の温度勾配、および育成結果について、表1に示す。
The dimensions of the
結果として、断熱層300の開口部310が、高さH/開口断面積=0.0035以上の条件を満たす円筒状であり、育成速度を1mm/時間とすることで、FeGa合金単結晶を問題なく育成することができた。
As a result, the
[まとめ]
以上より、本発明であれば、垂直ブリッジマン法によるFeGa合金単結晶の製造方法であって、結晶育成において種結晶すべてが融解することを防止し、かつ、安定して単結晶を育成することができるFeGa合金単結晶の製造方法を提供できることは、明らかである。
[summary]
From the above, it is clear that the present invention can provide a method for producing an FeGa alloy single crystal by the vertical Bridgman method, which can prevent all of the seed crystals from melting during crystal growth and can stably grow the single crystal.
10 単結晶育成用坩堝、10a 部分、10b 部分、10c 部分、
10d 開口部、15 熱電対、16 FeGa合金種結晶、
17 鉄とガリウムの混合物、18 原料融液、19 FeGa合金、
20 支持台、30 融液受け皿、31 底、32 側壁、100 第1育成炉、
110 断熱材、120 ヒーター、120a 上段ヒーター、
120b 中段ヒーター、120c 下段ヒーター、130 ネジ、
200 第2育成炉、210 断熱材、220 電極、300 断熱層、
310 開口部、400 坩堝台、410 ステージ、420 アーム、
430 収納ボックス、1000 育成炉、H 高さ、H1 高さ、
H2 高さの合計、H3 高さ、H4 内寸高さ、R 外寸の直径、W1 外寸、
W2 内寸
10 Single crystal growth crucible, 10a part, 10b part, 10c part,
10d opening, 15 thermocouple, 16 FeGa alloy seed crystal,
17 mixture of iron and gallium, 18 raw material melt, 19 FeGa alloy,
20 Support stand, 30 Melt tray, 31 Bottom, 32 Side wall, 100 First growth furnace,
110 Insulation material, 120 Heater, 120a Upper heater,
120b middle heater, 120c lower heater, 130 screw,
200 second growth furnace, 210 heat insulating material, 220 electrode, 300 heat insulating layer,
310 opening, 400 crucible stand, 410 stage, 420 arm,
430 Storage box, 1000 Growth furnace, H Height, H1 Height,
H2 total height, H3 height, H4 inner height, R outer diameter, W1 outer dimension,
W2 Inner Dimension
Claims (3)
鉛直方向で前記第1育成炉の下部に位置し、断熱材に囲まれてヒーターを備えない第2育成炉と、
前記第1育成炉と前記第2育成炉をつなぐ円筒状の開口部を有する断熱層と、
前記開口部を介して、坩堝を前記第1育成炉と前記第2育成炉とを昇降させる坩堝台と、
前記坩堝を支持する支持台と、
前記支持台を載せる融液受け皿と、
を備える育成炉を使用する垂直ブリッジマン法によるFeGa合金単結晶の製造方法であって、
前記坩堝内で原料の下部に配された種結晶を前記第1育成炉から前記開口部へ下降させて、前記ヒーターにより加熱されて融解した前記原料と、前記種結晶をシーディングするシーディング工程と、
前記シーディング工程後、育成速度が1mm以下/時間の条件でFeGa合金単結晶を育成する育成工程と、
を含み、
前記断熱層の熱伝導率がアルミナの熱伝導率と同じかそれ以下であり、
前記断熱層の開口部は、高さをmm、開口断面積をmm 2 で表したとき、高さ/開口断面積=0.0035以上の条件を満たす円筒状であり、
前記融液受け皿の直径と前記断熱層の前記開口部の直径との差が15mm以下であり、
前記シーディング工程では、前記坩堝内の温度を鉛直方向に下から上へ高くなるように、かつ当該坩堝内の温度勾配が2.5~5.5℃/mmの範囲内となるように調整する、FeGa合金単結晶の製造方法。 a first growth furnace surrounded by a thermal insulating material and equipped with a cylindrical heater;
a second growth furnace located below the first growth furnace in the vertical direction, surrounded by a heat insulating material, and not equipped with a heater;
a heat insulating layer having a cylindrical opening connecting the first growth furnace and the second growth furnace;
a crucible stand for raising and lowering a crucible between the first growth furnace and the second growth furnace through the opening;
A support stand for supporting the crucible;
a melt receiving tray on which the support stand is placed;
A method for producing a FeGa alloy single crystal by a vertical Bridgman method using a growth furnace comprising:
a seeding step of lowering a seed crystal disposed under the raw material in the crucible from the first growth furnace to the opening, and seeding the raw material heated and melted by the heater with the seed crystal;
a growing step of growing a FeGa alloy single crystal at a growth rate of 1 mm/hour or less after the seeding step;
Including,
The thermal conductivity of the heat insulating layer is equal to or lower than the thermal conductivity of alumina;
The opening of the heat insulating layer is cylindrical and satisfies the condition that, when the height is expressed in mm and the cross-sectional area of the opening is expressed in mm2, the height/cross-sectional area of the opening is 0.0035 or more;
the difference between the diameter of the melt tray and the diameter of the opening of the heat insulating layer is 15 mm or less;
In the seeding step, the temperature in the crucible is adjusted so as to increase vertically from bottom to top, and so that a temperature gradient in the crucible is within a range of 2.5 to 5.5° C./mm .
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