JP2738641B2 - Ｘ軸方位ニオブ酸リチウム単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導波路型光デバイスな
どの光学材料に用いられる高品質のＸ軸方位ニオブ酸リ
ウチム（ＬｉＮｂＯ_３：略してＬＮ）単結晶の製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術と解決しようとする課題】従来、導波路型
光デバイスとしてニオブ酸リチウム単結晶を使用する場
合、主に、Ｚ軸、すなわち＜００１＞方向に育成した結
晶を育成方向に垂直に切断研磨したＺカット基板を使用
してきた。しかしながら、Ｚカット基板は、 特定の偏波方向を持った光に対してのみその特性を発
揮し、すなわち、偏波依存性を持ち、現行のシングルモ
ード光ファイバー伝送路の途中に任意に挿入して使用す
ることができない。

【０００３】素子構成が方向性結合型であるため、温
度などの環境条件に影響されやすい。（参考文献；石
川、古田 電子情報通信学会技術研究報告 vol.91,No.
511,OCS91 75 85 Page51-58,1992）などの欠点を有して
おり、特に双方向光伝送用外部変調器などに使用するこ
とが困難であった。

【０００４】一方、Ｘ軸、すなわち＜１００＞方向に育
成したニオブ酸リチウム単結晶を育成方向に垂直に切断
研磨したＸカット基板を用い、Ｚ軸方向に光導波路を構
成し、Ｙ軸方向に電界を印加する場合には偏波無依存性
が容易に得られ、Ｚカット基板に比較して温度などの環
境条件による特性変動の少ない導波路型光デバイスが製
造できる利点があった。ところが、ニオブ酸リチウム単
結晶の熱膨張係数には、異方性（Ｘ＝Ｙ≠Ｚ）があり、
Ｘ軸育成のように育成面内に熱膨張係数の異なる方位
（ＹとＺ）が混在する場合には、育成中結晶に歪みが局
所的に集中しやすく、育成中あるいは冷却中にクラック
が入ってしまったり、サブグレインなどの結晶欠陥が多
くなってしまったりする問題点があった。この問題点を
解決するため、従来は育成の安定性を考慮して固液界面
形状を融液側へ凸状にするように育成条件を決めてきた
が、満足な結果は得られていなかった。そのため、大型
のＺ軸方位に育成したニオブ酸リチウム単結晶をＸ軸方
向に横抜きし、それを加工して、Ｘカット基板を得てい
た。この方法は、作業工程が多く、収率が悪いため、と
ても経済的とは言い難かった。

【０００５】本発明は、導波路型光デバイス、特に双方
向光伝送用外部変調器などに使用可能なＸ軸方位ニオブ
酸リチウム単結晶を、クラックなどのマクロ的欠陥およ
びサブグレインなどのミクロ的欠陥無しに製造する方法
を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前述した
目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、回転引き上げ
法によるＸ軸方位ニオブ酸リチウム単結晶育成におい
て、結晶回転数を制御することで、固液界面形状を融液
側へ凹状とし、かつその度合いを表すａ／Ｒ（ａ；凹の
深さ、Ｒ；結晶径、図１参照）を、０．０１≦ａ／Ｒ≦
０．１０の範囲にすると、クラックなどのマクロ的欠陥
がなく、サブグレインなどのミクロ的欠陥の少ないＸ軸
方位ニオブ酸リチウム単結晶を製造することができるこ
とを見出した。

【０００７】前述した通り、本発明は、導波路型光デバ
イス、特に双方向光伝送用外部変調器などに使用が可能
なＸ軸方位ニオブ酸リチウム単結晶を経済的に、かつ高
品質に製造する方法に係わるものである。回転引き上げ
法によるＸ軸方位ニオブ酸リチウム単結晶において、固
液界面形状を融液側へ凹状とし、かつその度合いを表す
ａ／Ｒ値を０．０１≦ａ／Ｒ≦０．１０の範囲に制御
し、好ましくはａ／Ｒを０．０３〜０．０８の範囲に制
御するのであり、このように制御することによってクラ
ックなどのマクロ的欠陥がなく、サブグレインなどのミ
クロ的欠陥の少ない高品質なＸ軸方位ニオブ酸リチウム
単結晶を育成することができる。これに対して上記範囲
外の場合、たとえば固液界面形状が融液側に対して、フ
ラット（ａ／Ｒ＝０）あるいは凸状（ａ／Ｒ＜０）であ
る場合には、固液界面近傍並びに結晶表面に応力が集中
しやすく、結晶にクラックが入ったり、サブグレインな
どの欠陥が発生しやすくなる。また、固液界面形状が融
液側へ凹状であっても、ａ／Ｒ値が０．１０を超えてし
まうと、結晶が融液から離れやすくなって、安定な育成
の持続が困難となる。かくして本発明では、０．０１≦
ａ／Ｒ≦０．１０の範囲の時のみ、クラックなどのマク
ロ的欠陥がなくサブグレインなどのミクロ的欠陥が少な
い高品質で、かつ導波路型光デバイスに使用可能なＸ軸
方位ニオブ酸リチウム単結晶を製造することができるの
である。

【０００８】るつぼ内融液には、主に融液内温度差に基
づく自然対流と結晶回転に基づく強制対流が有り、後者
の優勢を保持することで、固液界面形状を融液側へ凹状
とすることができる。結晶回転条件は、炉構成、加熱源
とるつぼの相対位置、育成結晶径およびるつぼ径などに
よって異なるが、育成結晶を融液から切り離したときの
固液界面形状を観察し、その結果計算されるａ／Ｒ値
と、結晶回転数との関係を調査することで、固液界面形
状を常に融液側へ凹状とし、かつａ／Ｒ値を０．０１≦
ａ／Ｒ≦０．１０の範囲に制御することができる。ま
た、育成が進行するにつれて変化する自然対流の強さに
合わせて、結晶回転数（強制対流）を任意に変化させる
ことも可能である。

【０００９】実際には、結晶回転数は種付け時２０〜５
０ｒｐｍとして以後育成が進行するのに従って減少させ
るのが望ましい。しかし種付け開始時から２２〜２６ｒ
ｐｍの回転数で一定に保つようにしてもよい。

【００１０】ほぼ２４時間結晶を育成した後、結晶を大
気中でアニールし、更に図２に従って結晶を切断してａ
／Ｒの比を測定する。

【００１１】即ち、結晶を円錐状部と円筒状部に分け、
円筒状部の底部を薄く切断してこの部分を試料部位と
する。又円筒状部乃至胴部の中央部を垂直方向に薄く切
断してこれを試料部位とする。この試料部位以外の
円筒状部は事実上二つの断面半円状に切断されている。
上記試料部位を両面研磨し、直交ニコルなどの光学的
方法でストリエーションを観察することで、ａ／Ｒ比を
計算する。また、試料部位を片面研磨して、ラングカ
メラ撮影することでサブグレインなどのシクロ的欠陥を
観察する。

【００１２】次に、本発明の代表的な実施例を示す。

【００１３】

【実施例】

＜実施例１＞単結晶育成は、全て高周波誘導加熱による
回転引き上げ法（チョクラルスキー法）で行った。原料
として、純度４Ｎの炭酸リチウムと五酸化ニオブを原子
比で４８．６：５１．４になるように混合し、成型、焼
成した後、その約５２００ｇを直径、高さおよび厚みが
夫々１３０ｍｍφ、１３０ｍｍおよび２．５ｍｍの大き
さの白金るつぼに充填した。育成条件は、引き上げ速度
３ｍｍ／ｈｒ、育成方位＜１００＞とし、約２４時間か
けて大気中で育成した。結晶回転数は、種付け時３０ｒ
ｐｍとし、その後徐々に減少させ、単結晶切り離し時２
０ｒｐｍとした。充填した原料の約６０％を引き上げた
後、約２０ｈｒかけて室温まで冷却した。得られた結晶
は、クラックなどのマクロ的欠陥がなく、８０ｍｍφ×
１００ｍｍｈのサイズで、結晶底面形状は融液側へ凹状
であった。

【００１４】この結晶を大気中でアニールした後、図２
に示すように切断した。試料部位を両面研磨して直効
ニコル観察したところ、融液側の最大凹部深さａ＝２．
５ｍｍ〜５．０ｍｍであり直径Ｒ＝８０ｍｍであり、従
ってａ／Ｒは０．０３から０．０６であった。また、試
料部位を片面研磨してラングカメラ撮影を行ったとこ
ろ、サブグレインなどのミクロ的欠陥はほとんど観察さ
れなかった。 ＜実施例２＞結晶回転数を、種付けから育成終了まで２
２ｒｐｍ一定とした以外、全て実施例１と同様の条件で
育成を行った。得られた結晶は、クラックなどのマクロ
的欠陥がなく、８０ｍｍφ×１００ｍｍｈのサイズで、
結晶底面形状は融液側へ凹状であった。この結晶を大気
中でアニールした後、図２に示すように切断した。試料
部位を両面研磨して直効ニコル観察したところ、ａ／
Ｒは０．０３から０．０５であった。また、試料部位
を片面研磨してラングカメラ撮影を行ったところ、サブ
グレインなどのミクロ的欠陥はほとんど観察されなかっ
た。 ＜実施例３＞結晶回転数を、２４ｒｐｍ一定とした以
外、全て実施例２と同様に育成を行った。得られた結晶
は、クラックなどのマクロ的欠陥がなく、８０ｍｍφ×
１００ｍｍｈのサイズで、結晶底面形状は融液側へ凹状
であった。この結晶を大気中でアニールした後、図２に
示すように切断した。試料部位を両面研磨して直効ニ
コル観察したところ、ａ／Ｒは０．０５から０．０７で
あった。また、試料部位を片面研磨してラングカメラ
撮影を行ったところ、サブグレインなどのミクロ的欠陥
はほとんど観察されなかった。 ＜実施例４＞結晶回転数を、２６ｒｐｍ一定とした以
外、全て実施例２と同様に育成を行った。得られた結晶
は、クラックなどのマクロ的欠陥がなく、８０ｍｍφ×
１００ｍｍｈのサイズで、結晶底面形状は融液側へ凹状
であった。この結晶を大気中でアニールした後、図２に
示すように切断した。試料部位を両面研磨して直効ニ
コル観察したところ、ａ／Ｒは０．０６から０．０８で
あった。また、試料部位を片面研磨してラングカメラ
撮影を行ったところ、サブグレインなどのミクロ的欠陥
はほとんど観察されなかった。 ＜比較例１＞結晶回転数を、６ｒｐｍ一定とした以外、
全て実施例２と同様に育成を行った。得られた結晶は、
サイズが８０ｍｍφ×１００ｍｍで、直径２０ｍｍφ前
後からクラックが無数に発生していた。結晶底面形状は
融液側へ凸状で、ａ／Ｒ＝−０．１０であった。 ＜比較例２＞結晶回転数を、１０ｒｐｍ一定とした以
外、全て実施例２と同様に育成を行った。得られた結晶
は、サイズが８０ｍｍφ×１００ｍｍで、直径２５ｍｍ
φ前後からクラックが無数に発生していた。結晶底面形
状は融液側へ凸状で、ａ／Ｒ＝−０．０６であった。 ＜比較例３＞結晶回転数を、３０ｒｐｍ一定とした以
外、全て実施例２と同様に育成を行った。しかし、育成
途中で結晶が融液から離れてしまった。得られた結晶
は、クラックなどのマクロ的欠陥がなく、８０ｍｍφ×
４５ｍｍのサイズであった。結晶底面形状は融液側へ凹
状で、ａ／Ｒ＝０．１５であった。この結晶を大気中で
アニールした後、直胴部を育成方向に垂直に切断研磨し
てラングカメラ撮影を行ったところ、サブグレインが観
察された。

【００１５】以上実施例と比較例をまとめれば次の表の
とおりである。

【００１６】 _{結晶回転数 ａ／Ｒ クラック サ ブ グ} (rpm) レ イ ン 比較例１ 6 -0.10 有り − 比較例２ 10 -0.06 有り − 実施例１ 20〜30 0.03〜0.06 無し 観察されず 実施例２ 22 0.03〜0.05 無し 観察されず 実施例３ 24 0.05〜0.07 無し 観察されず 実施例４ 26 0.06〜0.08 無し 観察されず 比較例３ 30 0.15 無し 有り

【００１７】

【発明の効果】比較例１〜３に示した通り、固液界面形
状を融液側へ凹状とし、かつその度合いを表すａ／Ｒ
を、０．０１≦ａ／Ｒ≦０．１０の範囲に制御しない
と、結晶に局所的応力が集中し、クラックやサブグレイ
ンなどの欠陥が発生した。

【００１８】しかし、本発明方法に従って実施例１〜４
に示した通り、固液界面形状を融液側へ凹状とし、かつ
その度合いを表すａ／Ｒを、０．０１≦ａ／Ｒ≦０．１
０の範囲に制御すると、クラックなどのマクロ的欠陥や
サブグレインなどのミクロ的欠陥なしにＸ軸方位ニオブ
酸リチウム単結晶を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法における固液界面形状を示す説明
図。

【図２】育成した結晶を切断して試料部位を形成する状
態を示すための説明図。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】るつぼに収容された溶融液に種結晶を接触
   させ、その種結晶を回転させながら引き上げ、育成方位
   をＸ軸とするニオブ酸リチウム単結晶を成長させる際、
   結晶回転数を制御することで、固液界面形状を融液側へ
   凹状とし、かつその度合いを表すａ／Ｒ（ａ；凹の深
   さ、Ｒ；結晶径）を、０．０１≦ａ／Ｒ≦０．１０の範
   囲にすることを特徴とするニオブ酸リチウム単結晶の製
   造方法。