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バルク単結晶の最新技術と応用開発
Advanced Growth Technology and Application of Bulk Single Crystal
[コードNo.2006T474]

■編集/ 福田承生(東北大学名誉教授)
■体裁/ B5判 386ページ
■発行/ 2006年 3月 (株)シーエムシー出版
■定価/ 70,200円(税込価格)

光エレクトロニクスを支える材料として注目を浴びる「バルク単結晶」!!
従来の単結晶製造技術から、最新の技術・装置・周辺材料まで幅広く網羅!!
大学・研究機関・企業の先端開発を担う、第一線の研究者による最新レポート!!

※ 本書籍はご試読頂けません ※

刊行にあたって
 シリコン結晶は今では「エレクトロニクス産業の米」とも言われ、ありとあらゆるエレクトロニクス機器の中に使われている。種々の化合物半導体結晶や酸化物結晶はエレクトロニクス機器の表示ランプ、光ディスク、コンピュータ、携帯電話などに使われ、今や単結晶を使ったデバイスは我々の日常生活に深くかかわっている。
 最近では医療機器PET(ポジトロン断層装置)をはじめ、医療分野でも単結晶が注目されている。青色発光ダイオードの実用化により、信号機にも使われ始め、更に発光素子による固体照明実用化へと進んでいる。真空管がトランジスタに代わったようにランプ・蛍光体が発光素子にとって変えられると言われている。更に移動体通信分野などへの応用展開が始まりつつある。これからのユビキタス社会に向けて、革新をもたらすべく、デバイスの高性能化、高出力化、高周波数化を目指して新たな結晶の研究開発が期待されている。
 1996年4月結晶材料分野の学術と産業の育成と振興を目的として「日本学術振興会 結晶成長の科学と技術 第161委員会」が設立された。委員会は、第I期(1996-2000)5年間の事業活動の一環として1999年に培風館から「現代エレクトロニクスを支える単結晶成長技術」を刊行した。発行以来すでに5年経過し、この間研究開発及び実用化への発展には著しい変化が生じている。そこで本書は第II期(2001-2005)の事業活動の成果を踏まえて、単結晶材料の最新の動向、特に市場動向、技術動向も含めて紹介した。単結晶製造技術については量産技術から最近注目されている結晶技術及びバルク結晶周辺材料・装置までを紹介する。一般読者向けの解説から、最先端分野技術についても解説したもので、新たな技術展開の技術書となることを狙いとした。
 本書の発刊に際して、多忙にもかかわらず、ご執筆の快諾を頂いた執筆者の方々ならびに日本学術振興会のご援助とシーエムシー出版社の関係各位に対して、厚く御礼申し上げます。
2005年12月 日本学術振興会 第161委員会委員長 福田承生(東北大学名誉教授・研究教授)

執筆者一覧(執筆順)
福田承生東北大学 多元物質科学研究所 研究教授;東北大学名誉教授
鹿島一日兒東芝セラミックス(株) 新事業統括部 参与
折戸文夫三菱化学(株) 科学技術戦略室 部長
藤井高志(株)村田製作所 材料開発センター 桂研究室 室長
吉川彰東北大学 多元物質科学研究所 助教授
村上英利自然科学研究機構 分子科学研究所 分子制御レーザー開発研究センター 研究員
小野晋吾自然科学研究機構 分子科学研究所 分子制御レーザー開発研究センター 助手
猿倉信彦自然科学研究機構 分子科学研究所 分子制御レーザー開発研究センター 助教授
安達宏昭大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 招聘助教授
吉村政志大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 助手
森勇介大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 助教授
佐々木孝友大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 教授
綿打敏司山梨大学 大学院医学工学総合研究部 工学学域 工学部附属クリスタル科学研究センター 結晶ボンドエンジニアリング研究部門
永崎洋(独)産業技術総合研究所 エレクトロニクス研究部門 低温物理グループ
干川圭吾信州大学 教育学部 生活科学教育講座 教授
稲田知己日立電線(株) 経営企画室 副室長
芦田佐吉(株)山寿セラミックス 技術顧問
石橋浩之日立化成工業(株) 機能性材料研究所 主管研究員
関野滝夫住友金属鉱山(株) 電子事業本部 通信デバイス部 取締役;(株)エス・エム・エムプレシジョン 能代工場 工場長
縄田輝彦(株)トクヤマ CF-10グループ 主席
龍見雅美住友電気工業(株) 研究開発本部 技師長
石井満湘南工科大学名誉教授;(株)第一機電 顧問
松本義一応用光研工業(株) 結晶光学部 技術顧問
佐藤充東京電波(株) 開発技術本部
米澤卓三(株)信光社 専務取締役
山本博文(株)信光社 製品・技術開発部 主任
町田博NECトーキン(株) 研究開発本部 シニアエキスパート
大谷昇新日本製鐵(株) 先端技術研究所 主幹研究員
北村健二(独)物質・材料研究機構 物質研究所 光学単結晶グループ ディレクター
竹川俊二(独)物質・材料研究機構 物質研究所 光学単結晶グループ 主席研究員
Oleg Louchev(独)物質・材料研究機構 物質研究所 光学単結晶グループ 特別研究員
佐藤浩樹(株)福田結晶技術研究所 技術部 部長
小平紘平北海道大学名誉教授
荻野拓東北大学 多元物質科学研究所 助手
川端紳一郎三菱化学(株) オプトエレクトロニクス事業部 オプトエレクトロニクス研究所 主任研究員
和久芳春ガスタービン実用性能向上技術研究組合 技術部 次長
柿本浩一九州大学 応用力学研究所 教授
藤岡洋東京大学 生産技術研究所 教授
木健児日新技研(株) 代表取締役
田中天童日新技研(株) 技術部
松本康裕(株)フルヤ金属 仙台営業所 ビジネスユニット 所長
里永知彦ステラケミファ(株) 研究部 サブマネージャー
花木新吾(株)光学技研 製造部 製造二課 兼 検査課 課長
小川智哉学習院大学名誉教授
横谷篤至宮崎大学 工学部 電気電子工学科 助教授
杉山和正東京大学 大学院理学系研究科 地球惑星科学専攻 助教授
早稲田嘉夫東北大学 理事 多元物質科学研究所 フェロー

構成と内容
序章単結晶材料の最新の動向(福田承生)
1はしがき
2結晶材料の市場動向
3今後注目される結晶材料・結晶成長技術
3.1固体照明を実現する結晶とソルボサーマル結晶成長技術
3.2次世代シンチレータ結晶とマイクロ引下げ法結晶成長技術
4おわりに
 
<単結晶材料の最新動向編>

第1章シリコン単結晶応用(鹿島一日兒)
1はじめに
2シリコン単結晶メーカーと生産量
3シリコンウェーハの大口径化
4FZ‐Si結晶
5CZ結晶
6シリコン半導体デバイス
 
第2章化合物半導体単結晶材料(折戸文夫)
1緒言
2ひ化ガリウム(GaAs)
2.1光素子用GaAs単結晶
2.2高周波素子用GaAs単結晶
3りん化ガリウム(GaP)とりん化インジウム(InP)
4窒化ガリウム(GaN)
5総括と今後の展開
 
第3章圧電関係、SAWデバイス(藤井高志)
1圧電単結晶とデバイス用途
2圧電単結晶の市場
3注目される技術
3.1薄膜を伝播するSAWを利用したフィルタ
3.2電気伝導度を有するLT,LN単結晶
3.3LT単結晶基板のさらなる表面平滑化、薄基板化
3.4水熱合成法によるバルクZnO単結晶
3.5定比LT単結晶
3.6LGS単結晶
3.7バルク弾性波(Bulk Acoustic Wave:BAW)を用いたバンドパスフィルタ
3.8新しいバルク圧電単結晶
 
第4章シンチレータ材料−最近の開発動向(吉川彰)
1はじめに
2発光の種類
3新材料の開発動向
3.1添加物のないワイドバンドギャップ材料におけるIntrinsic(self-activated)な発光
3.2添加物を用いたワイドバンドギャップ材料におけるExtrinsic(activated)な発光
3.2.13価の希土類イオンの5d-4f遷移に伴う発光(パリティ許容遷移で、且つ、スピン許容遷移)
3.2.22価の希土類イオンの5d-4f遷移に伴う発光(パリティ許容遷移だが、スピン禁制遷移)
3.2.36s6p-6s2遷移に伴う発光(パリティ許容遷移、スピン禁制遷移だが、スピン軌道相互作用あり)
3.2.4電荷移動状態からの遷移に伴う発光(パリティ許容遷移で、且つ、スピン許容遷移)
3.2.53価の希土類イオンの4f-4f遷移に伴う発光(パリティ禁制遷移で、且つ、スピン禁制遷移)
3.3直接遷移型のワイドバンドギャップ半導体のエキシトン発光
4まとめ
 
第5章紫外光学結晶の新展開(村上英利、小野晋吾、猿倉信彦)
1はじめに
2紫外レーザー結晶
2.1紫外領域におけるMaster Oscillator and Power Amplifier(MOPA)システム
2.2チョクラルスキー(CZ)法による大口径Ce:LiCAF結晶の開発
2.3Ce:LiCAF結晶を用いた紫外チャープパルス増幅(Chirped Pulse Amplification:CPA)システム
2.4大口径Ce:LiCAF結晶を用いたパワー増幅器
2.5まとめ
3非線形光学結晶
3.1CsB3O5(CBO)
3.2Li2B4O7(LB4)
3.3CsLiB6O10(CLBO)
3.4KBe2BO3F2(KBBF)とSr2Be2B2O7(SBBO)、およびその派生物質
4おわりに
 
第6章有機物等(安達宏昭、吉村政志、森勇介、佐々木孝友)
1はじめに
2有機非線形光学材料
3LAPの結晶育成と応用
4DASTの結晶育成と応用
5タンパク質の結晶育成
6まとめ
 
第7章酸化物超伝導単結晶(綿打敏司、永崎洋)
1はじめに
2La系銅酸化物超伝導体単結晶の動向
3Bi系超伝導体単結晶の動向
4Y系超伝導体単結晶の動向
5高圧下でのバルク単結晶育成
6液相エピタキシャル法による単結晶厚膜の作製
7Te添加法によるBi系およびY系銅酸化物超伝導体の髭状結晶(ウィスカー)の作製
8おわりに
 
<単結晶製造技術-量産技術編>

第1章引き上げ法
1シリコン(干川圭吾)
1.1CZ-Si成長装置とホットゾーン構成
1.1.1CZ-Si成長装置
1.1.2ホットゾーン
1.1.3石英るつぼ
1.2CZ-Si単結晶成長
1.2.1高純度Si原料
1.2.2単結晶成長基本プロセス
1.2.3無転位結晶成長
1.2.4酸素濃度制御
1.2.5Grown-in欠陥制御
2GaAs,InP(稲田知己)
2.1はじめに
2.2LEC法の原理
2.3GaAs結晶の量産技術の動向
2.3.1大型化
2.3.2高品質化
2.3.3低コスト化
2.4InP結晶の量産技術の動向
2.5おわりに
3LiNbO3,LiTaO3(芦田佐吉)
3.1はじめに
3.2製造装置
3.3育成方法
3.4LiNbO3,LiTaO3の相図
3.5育成後のウエーハ工程
3.6材料特性
4GSO(Ce添加Gd2SiO5単結晶)(石橋浩之)
4.1はじめに
4.2PET装置の原理とγ線検出器
4.3PET装置用シンチレータに要求される特性
4.4減衰時間の短いシンチレータの探索
4.5GSO単結晶の育成方法
4.6GSOシンチレータの基本特性
4.7割れの原因
4.8温度分布シミュレーションと割れ防止
4.9GSO単結晶の大型化
4.10大型GSO単結晶の特性
4.11GSO搭載PET装置及び診断画像
4.12GSOの課題と今後の展開
4.13おわりに
5YAG(関野滝夫)
5.1はじめに
5.2YAG単結晶について
5.3レーザ用YAG結晶の特徴
5.4Nd:YAG結晶の引上げ法
5.4.1結晶育成速度と結晶径の制御
5.4.2結晶欠陥発生機構
5.5まとめ
6CZ法による大型CaF2単結晶の育成と光学評価(縄田輝彦)
6.1はじめに
6.2結晶育成技術
6.3CZ法CaF2単結晶の品質
6.4その他のフッ化物結晶への展開
6.5おわりに
 
第2章ブリッジマン法
1GaAs(龍見雅美)
1.1はじめに
1.2方式
1.2.1HB法
1.2.2VB法
1.3不純物制御
1.4濡れ制御
1.5欠陥制御
1.6光学および電気的特性
1.7おわりに
2LBO(石井満)
2.1はじめに
2.2LBO結晶の材料特性とデバイス
2.2.1LBOの材料特性
2.2.2各種SAW用単結晶のデバイス特性の比較
2.3LBO単結晶の育成
2.3.1引き上げ法によるLBO結晶の育成
2.3.2ブリッジマン法による結晶成長
2.4おわりに
3CaF2(松本義一)
3.1はじめに
3.2CaF2結晶の特性と用途
3.3ブリッジマン法によるCaF2成長原理と特徴
3.3.1原料
3.3.2育成装置
3.3.3スカベンジャー
3.3.4結晶成長
3.3.5アニール
3.4結晶の高品質・大口径化
3.5おわりに
 
第3章水熱合成法による人工水晶および酸化亜鉛の育成(佐藤充)
1水熱合成法による人工水晶
1.1はじめに
1.2人工水晶の品質評価
1.3高品質人工水晶の育成
1.4水晶応用製品
1.4.1電子デバイス
1.4.2光学デバイス
1.5まとめ
2水熱合成法による酸化亜鉛単結晶育成
2.1はじめに
2.2酸化亜鉛単結晶育成方法
2.3結晶の品質
2.3.1結晶の着色と不純物
2.3.2結晶性
2.3.3フォトルミネッセンス特性
2.3.4基板の電気的特性
2.3.5基板の研磨および熱処理
2.3.6基板の熱処理とエッチピット密度、耐酸性
2.4まとめ
3おわりに
 
<単結晶製造技術‐特殊材料の製造技術編>

第1章ベルヌーイ法(Al2O3,TiO2)(米澤卓三、山本博文)
1はじめに
2ベルヌーイ法の原理と特徴
3ベルヌーイ法によるサファイアの育成
4サファイアの評価
5ベルヌーイ法によるルチル結晶の育成
6ルチル結晶の評価
7おわりに
 
第2章赤外線加熱FZ法 TiO2(町田博)
1はじめに
2TiO2結晶の機能と応用
2.1TiO2物性
2.2アイソレータ用偏光子の機能
3FZ法TiO2結晶成長原理と特徴
3.1結晶作製の特徴と課題
3.2育成結晶の品質
3.3大型高品質化
4おわりに
 
第3章種付き昇華法SiC(大谷昇)
1はじめに
2昇華法によるSiCのバルク単結晶成長
3SiCバルク単結晶のポリタイプ制御
4SiCバルク単結晶の電気特性制御
5SiCバルク単結晶中の結晶欠陥
6おわりに
 
第4章フラックス法KTP,CLBO(佐々木孝友、森勇介、吉村政志)
1はじめに
2KTP結晶育成技術
2.1KTP結晶と最近のレーザー応用
2.2KTP結晶の育成
3CLBO結晶育成技術
3.1CLBO結晶と最近のレーザー応用
3.2CLBO結晶の育成
4おわりに
 
<単結晶製造技術‐最近注目されている結晶技術編>

第1章二重るつぼチョクラルスキー法(北村健二、竹川俊二、Oleg Louchev)
1緒言
1.1従来型回転引上げ法の問題
1.2原料供給型二重るつぼの開発
2二重るつぼ法における精密自動直径制御
3熱モデル計算からみた二重るつぼ法における熱歪の制御法
4結語
 
第2章雰囲気制御フッ化物結晶引き上げ法(佐藤浩樹)
1序論
2フッ化物単結晶作製方法
3引き上げ法作製フッ化物単結晶
3.1LiCaAlF6(LiCAF)
3.2Tm,Ho:LiYF4(YLF),Tm,Ho:LiLuF4(LLF)単結晶
3.3CaF2,BaF2単結晶
4まとめ
 
第3章引き下げ法(小平紘平)
1はじめに
2原料連続供給型引き下げ法について
3単結晶育成
4おわりに
 
第4章マイクロ引下げ法(μ-PD法)(荻野拓、吉川彰、福田承生)
1はじめに
2μ-PD法の原理及び特徴
3μ-PD法を用いた材料探索
3.1Nd:YAG
3.2Al2O3/YAG共晶体
3.3Pr1-xCexF3
4μ-PD法を用いた形状制御結晶成長
5まとめ
 
第5章安熱合成法 GaN(川端紳一郎)
1ソルボサーマル法
1.1概要
1.2超臨界状態
1.3ハイドロサーマル法による成長例
1.4鉱化剤
2GaNのバルク結晶
2.1バルクの必要性
2.2GaNの特徴
2.3GaNの合成方法
3アモノサーマル法によるGaN結晶成長
3.1開発の流れ
3.2開発状況
3.3鉱化剤
3.4成長方法
3.5成長結晶
3.6検討項目
4工業化へのハードル
4.1成長速度
4.2オートクレーブ材
5まとめ
 
<バルク単結晶周辺材料装置・技術の動向編>

第1章一方向凝固法共晶結晶(和久芳春)
1はじめに
2製造プロセス
3MGC材料の特長
3.1Al2O3/GAP二元系
3.2Al2O3/YAG/ZrO2三元系
3.2.1組織
3.2.2ネットワーク構造と界面
3.2.3高温曲げ強度
4MGC繊維
5MGC材料の組織制御
6応用
7まとめ
 
第2章結晶成長シミュレーション技術(柿本浩一)
1はじめに
2シミュレーション技術の発達の歴史
3チョクラルスキー法の計算方法
4チョクラルスキー法の計算結果
5太陽電池用キャスト炉の計算例
6まとめ
 
第3章薄膜エピタキシャル成長技術(藤岡洋)
1はじめに
2薄膜エピタキシャル成長技術の動向
3室温薄膜エピタキシャル成長技術
 
第4章結晶製造装置(高木健児、田中天童)
1結晶製造装置作製の背景
2結晶成長装置概要
2.1炉内雰囲気
2.2温度
2.3駆動
3SiC単結晶育成装置
4SiC気相成長装置
 
第5章結晶製造部材・るつぼ(松本康裕)
1はじめに
2代表的な単結晶とるつぼ材質
3各種るつぼ材料の特徴
4最新技術動向
5貴金属(Pt,Rh,Ir)の需要と供給・価格について
5.1プラチナ
5.1.1供給
5.1.2需要
5.1.3価格
5.2ロジウム・イリジウム
5.2.1供給
5.2.2需要
5.2.3価格
 
第6章フッ化物単結晶用原料及び溶融原料(里永知彦)
1はじめに
2リソグラフィー用高純度CaF2原料の開発(製品名CaF2 Grade-1)
2.1はじめに
2.2リソグラフィー用高純度CaF2の開発
2.3おわりに
3高純度フッ化物溶融原料の開発
3.1はじめに
3.2高純度フッ化物溶融条件の検討(フッ化バリウム)
3.3おわりに
4まとめ
 
第7章結晶後処理、アニールブラックLiTaO3(芦田佐吉)
1はじめに
2ブラック化処理をする意義
3ブラック化処理方法
4評価方法
4.1体積抵抗率
4.2表面電位
4.3光透過率
5ウエーハ深さ方向の解析
6処理再現性
7高温環境下での耐久評価
8おわりに
 
第8章高精度結晶加工技術(花木新吾)
1はじめに
2加工プロセス
2.1結晶軸出し加工
2.1.1加工準備
2.1.2軸出し加工
2.2結晶研磨加工
2.2.1研磨加工準備
2.2.2研磨加工
2.3評価
3応用製品の紹介
3.1位相板(波長板)
3.1.1高精度加工
3.1.2結晶機能評価
4おわりに
 
第9章結晶評価技術
1光散乱を利用した結晶評価(小川智哉)
1.1はじめに
1.2光散乱
1.3結晶内の欠陥による光散乱
1.3.1点欠陥point defects
1.3.2刃型転位edge dislocations
1.3.3らせん転位screw dislocations
1.3.4薄膜状欠陥
1.4LSTを用いた結晶の観察
1.4.1LST観察
1.4.2レーザ光の電界ベクトル
1.4.3迷光の除去
1.4.4被検査体積
1.5いくつかの観察例
1.5.1CZシリコン・ウェハー
1.5.2気相で成長したZnSe結晶内の転位ループのLST像&PL像
1.5.3CLBOの種結晶近傍の転位線
1.5.4フラックス法BBO中の「らせん状」転位
1.6おわりに
2レーザー高調波を利用した結晶評価技術(横谷篤至)
2.1はじめに
2.2SHG顕微鏡
2.2.1SHG顕微鏡による測定例
2.3TDG顕微鏡
2.4おわりに
3高温融液の構造解析(杉山和正、早稲田嘉夫)
3.1高温融溶の構造解析
3.2融液の原子配列の記述
3.3高温融液の構造解析の基本原理
3.4融液X線回折実験の基本的手順
3.4.1実験装置
3.4.2動径分布関数を得るまでの手順
3.4.3最近接配位数の導出
3.5融液構造の解析例
3.5.1金属・合金融体
3.5.2酸化物融体
3.6エネルギー分散型X線回折法による融液の構造解析
3.6.1エネルギー分散型X線回折法の原理
3.6.2EDXD法を用いた酸化物融液の構造解析例
3.7おわりに
 

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