オプトエレクトロニクス用酸化物バルク単結晶の割れに関する材料力学的研究

1993 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 04650089
• Research Institution: KYUSHU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 宮崎 則幸 九州大学, 工学部, 助教授 (10166150)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 池田 徹 九州大学, 工学部, 助手 (40243894) ; 宗像 健 九州大学, 工学部, 教授 (00037714)
• Keywords: 酸化物単結晶 / チョクラルスキー法 / 熱応力 / 有限要素法 / 線膨張係数 / 弾性係数 / 異方性 / 割れ

Research Abstract

LiNbO_3(LN),LiTaO_3(LT)に代表される酸化物単結晶はオプトエレクトロニクス用材料として重要である。これらのバルク単結晶はチョクラルスキー(CZ)法により作られるが、引き上げ条件によっては育成中にマクロな割れが生じる。この割れは単結晶中に生じる熱応力が大きく関与していると考え、本研究では、まず、このような熱応力解析を厳密に行うことができる有限要素法解析プログラムを開発・整備した。すなわち、テンソル変換の手法により、任意の引き上げ方向に対する弾性係数マトリックスおよび線膨張係数ベクトルを求め、有限要素法による熱応力解析プログラムに組み込み、LN,LTといった三方晶系単結晶に対する熱応力解析プログラムを開発した。本解析プログラムを用いて、東北大・金研において行われたLN育成実験体系の熱応力解析を行った。この解析の温度境界条件としては、実験に対応する全体解析モデルによる伝熱計算の結果を用い、単結晶体のa軸およびc軸引き上げについて熱応力解析を行った。この結果、全体の熱応力レベルはa軸引き上げの方が大きいことがわかった。このことは、a軸引き上げの方が割れ易いという経験則を裏付けるものである。しかし、a軸引き上げの結果はc軸引き上げの結果と比べて、結晶内部に広い低応力部が存在しており、もし割れが生じないように引き上げが行えれば、a軸引き上げの方がc軸引き上げよりも高品位バルク単結晶が得られることが予想された。実際にa軸引き上げを行うことによりこのことが実証された。LN単結晶の割れを定量的に扱うことを目的として、円板状LN単結晶試験体を用いて熱衝撃割れ実験を行った。この結果、割れは単結晶のへき開面で主に生じ、へき開面に垂直に作用する応力を用いて割れを定量化し得る可能性が示された。

Research Products

• [Publications] 宮崎 則幸: "Thermal Stress Analysis of Silicon Bulk Single Crystal during Czochralski Growth" Journal of Crystal Growth. 125. 102-111 (1992)
• [Publications] 宮崎 則幸: "バルク単結晶CZ育成過程の熱応力解析(各種単結晶における異方性の効果)" 日本機械学会論文集,A編. 58. 1942-1946 (1992)
• [Publications] 宮崎 則幸: "酸化物バルク単結晶CZ育成過程に生じる割れの定量的評価(第1報,熱応力解析プログラムの開発)" 日本機械学会論文集,A編. 59. 2264-2769 (1993)