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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.

特許第4053328号公報Patent No. 4053328 特許第4814085号公報Patent No. 4814085 特開2016-28831号公報JP 2016-28831 A

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.

鉄ガリウム合金の単結晶を育成する育成炉1000の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a growth furnace 1000 for growing a single crystal of an iron-gallium alloy. 断熱層300の概略図である。3 is a schematic diagram of a thermal insulation layer 300. FIG. VB法によるFeGa合金単結晶の製造方法の各工程における単結晶育成用坩堝10と抵抗加熱ヒーター120の配置を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing the arrangement of a single crystal growth crucible 10 and a resistance heater 120 in each step of a method for producing a FeGa alloy single crystal by the VB method. 単結晶育成用坩堝10の概略図である。1 is a schematic diagram of a crucible 10 for growing a single crystal. 融液受け皿30の概略側面断面図である。2 is a schematic cross-sectional side view of a melt receiving tray 30. FIG.

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 growth furnace 1000 for growing an iron-gallium alloy single crystal, as shown in Fig. 1. The growth furnace 1000 includes a first growth furnace 100, a second growth furnace 200, a heat insulating layer 300, and a crucible stand 400.

〈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。
<First growth furnace 100>
The first growth furnace 100 is surrounded by a heat insulating material 110 and includes a cylindrical heater 120. This furnace is used to melt the raw material of the FeGa alloy placed in the single crystal growth crucible 10 and then perform seeding.

(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(Si)、ムライト(3Al・2SiO~2Al・SiO)およびアルミナ(Al)等が挙げられる。
(Thermal insulation material 110)
The heat insulating material 110 can form the first growth furnace 100 into a cylindrical shape, and a heater 120 is further disposed inside the first growth furnace, and the crucible 10 for growing a single crystal is disposed inside the heater 120. There are no particular limitations on the material of the heat insulating material 110, and examples of the material include carbon, boron nitride (BN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), mullite (3Al 2 O 3.2SiO 2 to 2Al 2 O 3.SiO 2 ), and alumina (Al 2 O 3 ).

(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 heater 120 is disposed inside the heat insulating material 110, and may be a carbon resistance heater. When growing the FeGa alloy single crystal, the heater 120 can form a hot zone. As the heater 120, a heater composed of an upper heater 120a, a middle heater 120b, and a lower heater 120c as shown in FIG. 3 may be used. By adjusting the input power to each of these heaters 120a to 120c, a hot zone can be formed inside the heater 120, and the temperature gradient in the hot zone can be more precisely controlled. For example, it is possible to realize a temperature distribution in which the upper part of the first growth furnace 100 is high temperature and the lower part is low temperature.

〈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。
<Second growth furnace 200>
The second growth furnace 200 is located vertically below the first growth furnace 100, is surrounded by a heat insulating material 210, and is a furnace that does not include a heater. This furnace is used to cool and solidify the FeGa alloy raw material after seeding.

(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(Si)、ムライト(3Al・2SiO~2Al・SiO)およびアルミナ(Al)等が挙げられる。
(Thermal insulation material 210)
The heat insulating material 210 can form the second growth furnace 200 into a cylindrical shape. There are no particular limitations on the material of the heat insulating material 210, and examples of the material include carbon, boron nitride (BN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), mullite (3Al 2 O 3.2SiO 2 to 2Al 2 O 3.SiO 2 ), and alumina (Al 2 O 3 ).

(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 electrode 220 for applying a current to the heater 120 is disposed in the second growth furnace 200. The heater 120 is fixed to the electrode 220 by a screw 130. The electrode 220 and the screw 130 may be made of carbon, for example.

〈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。
<Thermal insulation layer 300>
The insulating layer 300 has a cylindrical opening 310 connecting the first growth furnace 100 and the second growth furnace 200 (FIGS. 1 and 2). The insulating layer 300 is disposed between the first growth furnace 100 and the second growth furnace 200 in the vertical direction, and the diameter of the opening 300 is smaller than the diameters of the cylindrical first growth furnace 100 and the second growth furnace 200, and is open enough to allow the melt tray 30 carrying the support stand 20 supporting the single crystal growth crucible 10 to pass through with a small gap. By disposing the heat insulating layer 300 having such a narrow opening 310 between the first growth furnace 100 and the second growth furnace 200, when the single crystal growth crucible 10 is moved from the first growth furnace 100 to the second growth furnace 200, particularly while the single crystal growth crucible 10 is passing through the opening 300, it is possible to suppress the heat generated by the heater 120 from entering the first growth furnace 100 into the second growth furnace 200. As a result, it is possible to suppress an increase in the internal temperature of the second growth furnace 200, and it is possible to prevent the seed crystal after seeding from being completely melted by heat.

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(Si)、ムライト(3Al・2SiO~2Al・SiO)およびアルミナ(Al)等が挙げられる。 The material of the heat insulating layer 300 is not particularly limited, and examples thereof include carbon, boron nitride (BN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), mullite (3Al 2 O 3.2SiO 2 to 2Al 2 O 3.SiO 2 ), and alumina (Al 2 O 3 ).

(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、πrにより算出する。
(Opening 310)
2A is a schematic diagram of the insulating layer 300, and FIG. 2B is a side cross-sectional view of the insulating layer 300. The opening 310 of the insulating layer 300 is cylindrical and satisfies the condition of height H/opening cross-sectional area=0.0035 or more. The opening cross-sectional area is calculated by πr2 , where r is the radius of the opening.

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 crystal growth crucible 10 is moved from the first growth furnace 100 to the second growth furnace 200, particularly while the single crystal growth crucible 10 is passing through the opening 310, it is possible to prevent the heat generated by the heater 120 from penetrating from the first growth furnace 100 to the second growth furnace 200. As a result, it is possible to prevent the internal temperature of the second growth furnace 200 from increasing, thereby preventing the seed crystal from being completely melted by heat after seeding.

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 layer 300 becomes insufficient, and the heat generated by the heater 120 cannot be sufficiently prevented from penetrating from the first growth furnace 100 to the second growth furnace 200 while the single crystal growth crucible 10 is passing through the opening 310, and the seed crystal after seeding may be completely melted by the heat.

〈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 crystal growth crucible 10 between the first growth furnace 100 and the second growth furnace 200 through an opening 310. The crucible stand 400 includes a stage 410 for placing the melt receiving tray 30 thereon, an arm 420 for raising and lowering the stage 410, and a storage box 430 for storing the arm 420.

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 crystal growth crucible 10 between the first growth furnace 100 and the second growth furnace 200, so that the FeGa alloy raw material is melted in the first growth furnace 100, which has a heater 120, and seeded with a seed crystal, and then the raw material is solidified in the second growth furnace 200, which does not have a heater, to grow the FeGa alloy single crystal.

(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 growth furnace 1000 may further include components in addition to the above components, such as a thermocouple 15 capable of measuring the temperature of the single crystal growth crucible 10 to grasp the temperatures of the raw material, the seed crystal, and the solidified FeGa alloy single crystal in the single crystal growth crucible 10, a vacuum pump capable of adjusting the inside of the growth furnace 1000 to a vacuum atmosphere, a chamber capable of covering the growth furnace 1000 to maintain the atmosphere in the furnace, and an inert gas introducing means capable of introducing an inert gas such as argon or nitrogen into the chamber.

〈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。
<Crucible 10 for growing single crystal>
The material of the crucible 10 for growing single crystals is preferably alumina, which has low chemical reactivity with the FeGa alloy single crystal and has a high melting point. Magnesia and pyrolytic boron nitride may also be used. The crucible 10 for growing single crystals, which is open at the top, may be covered with a lid of the same material.

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 crystal growth crucible 10 is filled with an FeGa alloy seed crystal 16, and a mixture of iron and gallium 17 is filled on top of this FeGa alloy seed crystal 16.

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 crucible 10 for single crystal growth can be used in the VB method to solidify the molten mixture 17 of iron and gallium in the crucible 10 for single crystal growth, thereby growing a FeGa alloy single crystal.

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 crucible 10 for growing single crystals. Figure 4a is a perspective view, and Figure 4b is a cross-sectional view. The crucible 10 for growing single crystals comprises a portion 10a for inserting raw material, a portion 10c for inserting a seed crystal, and a tapered portion 10b connecting portions 10a and 10c. For example, a crucible with an outer dimension W1 of 74 mm square, an inner dimension W2 of 66 mm, a uniform crucible thickness, a height H1 of 200 mm, a height H3 of portion 10a of 150 mm, a total height H2 of portions 10a and 10b of 170 mm, and an inner dimension height H4 of 196 mm can be used.

(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 crystal growth crucible 10 so that it does not fall over. The single crystal growth crucible 10 is tapered toward the bottom and has a high center of gravity, making it prone to falling over, so the support stand 20 prevents the single crystal growth crucible 10 from falling over. For example, a cylindrical stand made of alumina can be used as the support stand 20.

(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 melt tray 30 serves to receive the raw material melt that leaks from the crucible in the unlikely event that the single crystal growth crucible 10 is damaged during melting or seeding of the raw material of the FeGa alloy single crystal or during growth of the single crystal.

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 side walls 32 can be used as the melt receiving dish 30, and the outer diameter R can be set to 108 mm.

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 melt tray 30 and the diameter of the opening 310 of the insulating layer 300 can be set to 5 mm to 15 mm. If the difference is within this range, when the single crystal growth crucible 10 is moved from the first growth furnace 100 to the second growth furnace 200, particularly while the single crystal growth crucible 10 is passing through the opening 310, the heat generated by the heater 120 can be prevented from entering the second growth furnace 200 from the first growth furnace 100. As a result, the internal temperature of the second growth furnace 200 can be prevented from rising, and the seed crystal after seeding can be prevented from being completely melted by heat.

[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 growth furnace 1000 shown in FIG.

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 alloy seed crystal 16 arranged below a raw material (a mixture of iron and gallium 17) in a crucible 10 for growing a single crystal is lowered from a first growth furnace 100 to an opening 310, and the raw material that has been heated and melted by a heater 120 is seeded with the FeGa alloy seed crystal 16.

〈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 alloy seed crystal 16 with a principal plane orientation of <100> is placed at the bottom of a crucible 10 for growing single crystals. Then, a required amount of the raw material iron and gallium mixture 17 is placed on top of the FeGa alloy seed crystal 16 (Crucible placement step in FIG. 3(a)), and then the crucible 10 is appropriately covered with a lid.

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 growth furnace 1000 to adjust the inside of the growth furnace 1000 to an inert atmosphere. If there is a risk of gallium nitride or the like being generated, it is preferable to introduce argon gas. After the inside of the growth furnace 1000 becomes an inert atmosphere, the upper heater 120a, the middle heater 120b, and the lower heater 120c arranged to surround the single crystal growth crucible 10 are operated to raise the temperature and start melting the mixture 17 of iron and gallium, producing the raw material melt 18 (FIG. 3(b) melting process).

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 gallium mixture 17 has almost melted and become a molten material, the vacuum pump is operated to reduce the pressure inside the growth furnace 1000 and remove any air bubbles in the molten material (air bubble removal process).

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 growth furnace 1000 to adjust the inside of the growth furnace 1000 to an inert atmosphere again, and then an FeGa alloy single crystal is grown inside the single crystal growth crucible 10 (Growth process in FIG. 3(d)). Specifically, the heater 120 is used to heat the single crystal growth crucible 10, which contains the FeGa alloy seed crystal 16 and the melt (iron and gallium mixture 17) and is covered with a lid, so that the temperature distribution is high in the upper part of the height direction and low in the lower part. In this state, the temperature inside the growth furnace 1000 is changed to a position where the FeGa alloy seed crystal 16 is melted to about the upper half of the height direction by moving the movable rod 13 to raise the crucible 10, and seeding is performed (Seeding process in FIG. 3(c)).

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 growth furnace 1000, the descent speed of the single crystal growth crucible 10 is set to 1 mm/hour or less, and the arm 420 is moved at a constant speed to lower the single crystal growth crucible 10 to grow the FeGa alloy single crystal 16 (growth process in FIG. 4(d)), and all of the melt is solidified. Note that if the descent speed of the single crystal growth crucible 10 is made faster than 1 mm/hour, polycrystallization will occur, and it will not be possible to grow the FeGa alloy single crystal.

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 crucible 10 is completed and the growth of the single crystal is completed (Figure 3 (e)), the mixture is cooled at a predetermined rate to obtain the FeGa alloy 19 (cooling process).

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 growth furnace 1000 has reached approximately room temperature, the single crystal growth crucible 10 containing the grown single crystal is removed from the crucible stand 400, and the lid is removed to remove the grown single crystal from the single crystal growth crucible 10.

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 heater 120 are adjusted so that the temperature in the single crystal growth crucible 10 during seeding increases vertically from bottom to top, and the temperature gradient during seeding in the single crystal growth crucible 10 is 2.5 to 5.5°C/mm. By setting such a temperature gradient, it is possible to more reliably prevent the FeGa alloy seed crystal 16 from melting completely.

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 crystal growth crucible 10 is less than 2.5°C/mm, the FeGa alloy seed crystal 16 may become too hot and melt completely. On the other hand, to prevent an increase in power consumption due to an increase in heater output and to prevent the generation of gallium vapor from the top surface of the melt, the temperature gradient is set to 5.5°C/mm or less. In addition, we attempted to investigate the seeding position where the temperature gradient would be 6.5°C/mm, but the platinum-rhodium thermocouple 50 broke during temperature measurement due to the high temperature, so we had to discontinue the experiment.

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 alloy seed crystal 16 from melting completely. Since the FeGa alloy is a non-uniform melting crystal, when the gallium content in the FeGa alloy is 18% by atomic weight, the temperature difference between the solidus and liquidus on the phase diagram is about 75°C. Therefore, in order to prevent the iron gallium alloy seed crystal 16 from melting completely, a temperature difference of 75°C or more is required in the vertical direction of the iron gallium alloy seed crystal 16. Since the length of the iron gallium alloy seed crystal 16 in the vertical direction is usually 30 mm, in order to prevent the iron gallium alloy seed crystal 16 from melting completely, the temperature gradient in the single crystal growth crucible 10 needs to be 2.5°C/mm or more in order to provide a temperature difference of 75°C or more in the vertical direction of the iron gallium alloy seed crystal 16.

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 crucible 10 for single crystal growth at the time of seeding high, it becomes possible to grow a single crystal at a wider range of descending speed of the crucible 10 for single crystal growth. However, if the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth at the time of seeding is set high, the heater output becomes high. As a result, the amount of evaporation of the molten material increases, and it adheres to the insulation material 110, the heater 120, the crucible stand 400, etc., and cleaning is required. In order to suppress the amount of evaporation of the molten material, it is preferable to cover the crucible 10 for single crystal growth with a lid. When the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth at the time of seeding is set to 6.0 ° C. / mm or more, the amount of evaporation of the molten material becomes intense due to the output of the heater. Therefore, it is preferable to set the temperature gradient in the crucible 10 for single crystal growth at the time of seeding to 5.5 ° C. / mm or less.

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 room temperature 20 ° C., a granular iron raw material (purity: 99.9%) and a gallium raw material (purity: 99.99%) having a median diameter of about 1 mm were weighed so that the ratio of iron to gallium was 82:18 in the stoichiometric ratio, that is, the gallium content was 18.0% in atomic weight %. The weighed gallium raw material was put into a Teflon (registered trademark) container and melted in a hot water bath. Furthermore, the iron raw material was put into the molten gallium raw material, stirred in the container, and then cooled to room temperature to prepare a mixture 17 of iron and gallium, which is a mixed raw material.

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 crucible 10 for growing single crystals made of dense alumina, which has an outer dimension W1 of 74 mm square, an inner dimension W2 of 66 mm, a uniform crucible thickness, a height H1 of 200 mm, a height H3 of the portion 10a of 150 mm, a total height H2 of the portions 10a and 10b of 170 mm, and an inner dimension height H4 of 196 mm, as shown in FIG. 4, a FeGa alloy seed crystal 16 (gallium content of 17% in atomic weight, cylindrical shape with a diameter of 5 mm and a length of 30 mm) whose gallium content had been adjusted in advance was filled, and a mixture 17 of iron and gallium was filled on top of the FeGa alloy seed crystal 16. At this time, a crystal with a main surface orientation of the <100> orientation was used for the FeGa alloy seed crystal 16.

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 opening 10d of the single crystal growth crucible 10 was covered with a lid made of dense alumina sinter. Then, the single crystal growth crucible 10 filled with the FeGa alloy seed crystal 16 and the mixture 17 of iron and gallium was placed on the support 20 arranged on the melt tray 30 placed on the stage 410 as shown in FIG. 1, and the tip of the thermocouple 15 was brought into contact with the side of the single crystal growth crucible 10. The melt tray 30 was made of alumina, had a bottom 31 and sidewall 32, was 90 mm high, and had an outer diameter R of 108 mm. The insulating materials 110, 210, and the insulating layer 300 were made of alumina.

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11300mm、高さH/開口断面積=0.0035の断熱層を用いた。 In the growth furnace 1000 shown in FIG. 1, the heat insulating layer 300 had a height H of 40 mm, an opening 310 with a radius of 60 mm, an opening cross-sectional area of 11,300 mm 2 , and height H/opening cross-sectional area=0.0035.

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 stage 410 at the bottom of the second growth furnace 200. After that, argon gas was introduced into the growth furnace 1000, and the inside of the growth furnace 1000 was adjusted to an argon atmosphere at atmospheric pressure. In addition, the upper heater 120a, the middle heater 120b, and the lower heater 120c, which were made of carbon resistance heaters 120, were independently controllable.

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 middle heater 120b to 1400°C, and the temperature of the lower heater 120c to 1300°C, and the temperature inside the growth furnace 1000 was raised. After the temperature rise was completed and the temperature inside the growth furnace 1000 stabilized, the arm 420 was driven to raise the stage 410, and the single crystal growth crucible 10 was raised at a gentle speed to the first growth furnace 100. Since a temperature gradient was created in the first growth furnace 100, with a high temperature at the top and a low temperature at the bottom, the temperature inside the single crystal growth crucible 10 rose as it moved to the top of the first growth furnace 100, and the mixture 17 of iron and gallium melted to form a molten material.

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 crystal growth crucible 10 was 3.0°C/mm. At this time, the temperature of the middle heater 120b was set to 1400°C, the temperature of the lower heater 120c was set to 1300°C, and the moving speed of the single crystal growth crucible 10 was set to 2 mm/hour. The FeGa composition is such that the gallium content in the FeGa alloy single crystal is 18% in atomic weight percent, and the solidification temperature of the FeGa alloy in this case is approximately 1450°C. Therefore, the position of the single crystal growth crucible 10 when the measured temperature at the tip of the thermocouple 15 is 1450°C was set as the seeding position. As a result, it was found that the temperature of the upper heater 12a should be set to 1500°C.

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 growth furnace 1000 was stopped, and the pressure inside the growth furnace 1000 was reduced to 350 Pa using a vacuum pump, and this was maintained for approximately 30 minutes. Next, the pressure was gradually reduced at a gradient of 2.5 Pa/min over 60 minutes until the pressure reached 200 Pa or less, and air bubbles in the molten material were removed (air bubble removal process). After the air bubble removal process, the introduction of argon gas was resumed, and the inside of the growth furnace 1000 was adjusted to an inert atmosphere of 1 atmosphere.

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 thermocouple 15 near the location of the single crystal growth crucible 10 where the melt was formed, the arm 420 was driven to maintain a temperature gradient of 3.0°C/mm in the single crystal growth crucible 10, and the single crystal growth crucible 10 was raised several mm to the seeding position to stabilize the temperature. This process was repeated to raise the single crystal growth crucible 10 so that the temperature of the thermocouple 15 was stable and in the range of 1350 to 1400°C. Once the position to hold the single crystal growth crucible 10 was determined, it was held there for 3 hours to perform seeding. After seeding, the upper heater 120a was kept at a temperature of 1500°C, the middle heater 120b at a temperature of 1400°C, and the lower heater 120c at a temperature of 1300°C. The arm 420 was driven to lower the crucible 10 for single crystal growth at a rate of 1 mm/hour, i.e., the growth rate of the FeGa alloy single crystal was set to 1 mm/hour, and the growth of the FeGa alloy single crystal was started. After the lowering distance of the crucible 10 for single crystal growth reached 100 mm, the growth was terminated.

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 crucible 10 for growing single crystals was placed in the first growth furnace 100 equipped with a heater 120 from melting the raw material to seeding, and the growth of the single crystal after seeding started when the upper end position (liquid level) of the raw material melt 18 moved to near the bottom of the first growth furnace 100, and ended when the upper end position moved to near the bottom of the opening 310 of the insulating layer 300. The moving speed of the crucible when descending from the first growth furnace 100 to the second growth furnace was also set to 1 mm/hour.

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 crystal growth crucible 10. No melting was observed at the bottom end of the FeGa alloy seed crystal 16, and the entire FeGa alloy seed crystal 16 had not melted, confirming that seeding had been performed normally. Furthermore, the grown FeGa alloy single crystal was cut and the inside of the crystal was observed, but no defects such as voids that could be seen with the naked eye were found, confirming that the single crystal had been grown without any problems.

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 crucible 10 for growing the single crystal was 2 mm/hour, that is, the growth speed of the FeGa alloy single crystal was 2 mm/hour. The other conditions were the same as in Example 1, and the FeGa alloy single crystal was produced.

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 crystal growth crucible 10 and cut. The inside of the ingot was observed, and grain boundaries were observed, indicating that the ingot had become polycrystalline. The above growth process was repeated 10 times, and all 10 ingots had become polycrystalline.

[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 crucible 10 for growing the single crystal was 5 mm/hour, that is, the growth speed of the FeGa alloy single crystal was 5 mm/hour. The other conditions were the same as in Example 1, and the FeGa alloy single crystal was produced.

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 crystal growth crucible 10 and cut. The inside of the ingot was observed, and grain boundaries were observed, indicating that the ingot had become polycrystalline. The above growth process was repeated 10 times, and all 10 ingots had become polycrystalline.

[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11300mm、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 growth furnace 1000 shown in Fig. 1, a heat insulating layer 300 having a height H of 20 mm, a radius of the opening 310 of 60 mm, an opening cross-sectional area of 11300 mm2 , and a height H/opening cross-sectional area = 0.0018 was used. The descending speed of the crucible 10 for single crystal growth was 5 mm/hour, i.e., the growth speed of the FeGa alloy single crystal was 5 mm/hour. Other than these, a mixture 17 of iron and gallium was prepared in the same manner as in Example 1, and a single crystal was grown.

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 crystal growth crucible 10 and cut. The inside of the ingot was observed, and grain boundaries were observed, indicating that the ingot had become polycrystalline. The above growth process was repeated 10 times, and all 10 ingots had become polycrystalline.

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 opening 310 of the insulating layer 300, the growth rate of the FeGa alloy single crystal, the temperature gradient of the crucible 10 for single crystal growth during the seeding process, and the growth results in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1.

Figure 0007613189000001
Figure 0007613189000001

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 opening 310 of the insulating layer 300 was cylindrical, satisfying the condition of height H/cross-sectional area of the opening = 0.0035 or more, and by setting the growth speed to 1 mm/hour, it was possible to grow FeGa alloy single crystals without any problems.

[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)

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、
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 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
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 .
前記断熱層の材質は、カーボン、ムライトおよびアルミナの少なくともいずれかである、請求項1に記載のFeGa合金単結晶の製造方法。 2. The method for producing an FeGa alloy single crystal according to claim 1, wherein the heat insulating layer is made of at least one of carbon, mullite, and alumina . 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である、請求項1または2に記載のFeGa合金単結晶の製造方法。 The method for producing a FeGa alloy single crystal according to claim 1 or 2, wherein the crucible has 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.
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