JP2011037640A

JP2011037640A - 単結晶育成装置及び単結晶育成方法

Info

Publication number: JP2011037640A
Application number: JP2009183544A
Authority: JP
Inventors: Shunji Noguchi; 俊司野口; Hisanori Kawabata; 久則川端; Toru Nagasawa; 亨長澤
Original assignee: Canon Machinery Inc
Current assignee: Canon Machinery Inc
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2011-02-24

Abstract

【課題】単結晶の育成の監視を簡略化することができ、しかも精度よく単結晶を育成することができる単結晶育成装置及び単結晶育成方法を提供する。
【解決手段】楕円面鏡１１，１２の一方の焦点Ｆ1，Ｆ2近傍に配置された赤外線ランプ１３，１４から照射される赤外線を、楕円面鏡１１，１２で反射させ、共通の他方の焦点Ｆ0に位置する被加熱部１５に集光させて赤外線加熱し、単結晶原料と種結晶間の被加熱部１５に形成された溶融帯２を次第に単結晶原料側に移動させながら単結晶を育成する単結晶育成装置において、溶融帯２の形状を監視する監視手段２９及び溶融帯２の温度を監視する温度測定手段３４とを備え、単結晶の育成を、監視手段２９を介して監視するとともに、温度測定手段３４により温度を監視する。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は単結晶育成装置及び単結晶育成方法に関するものである。

単結晶育成装置５０は、図５及び図６に示すように、対称形の２つの楕円面鏡５１，５２を有し、各々の一方の焦点Ｆ₀，Ｆ₀（図６参照）が一致するように対向結合させて加熱炉を構成する。この回転楕円面鏡５１，５２の内面、すなわち反射面は、赤外線を高反射率で反射させるために金めっき処理が施されている。各回転楕円面鏡５１，５２の他方の焦点Ｆ₁，Ｆ₂付近には、加熱源、例えば、ハロゲンランプ等の赤外線ランプ５３，５４が固定配置してある。各回転楕円面鏡５１，５２の一致した焦点Ｆ₀には被加熱部５５が位置し、上方から鉛直方向に延びる上結晶駆動軸５６の下端に固定した原料棒５７と、下方から鉛直方向に延びる下結晶駆動軸５８の上端に固定された種結晶棒５９とを突き合わせてある。前記上結晶駆動軸５６および下結晶駆動軸５８は、図示するように、保持部材６０，６１によって気密に保持され、図示しないサーボモータ等の駆動モータで回転自在、かつ、同期または相対速度を有して昇降自在に保持されている。

前記原料棒５７および種結晶棒５９が配置された空間ｍ₁を、赤外線ランプ５３，５４が配置された空間ｍ₂と区画して、単結晶育成室６２を形成する透明な石英管６３を設けて、上記単結晶育成室６２に結晶育成に対して好適な不活性ガス等を充満させる。

前記の単結晶育成装置５０によれば、回転楕円面鏡５１，５２の第１，第２の焦点Ｆ₁，Ｆ₂に配置された赤外線ランプ５３，５４から照射される赤外線を、上記回転楕円面鏡５１，５２で反射させ、共通の焦点Ｆ₀に位置する被加熱部５５に集光させて赤外線加熱する。この赤外線加熱による輻射エネルギーにより、被加熱部５５の原料棒５７の下端および種結晶棒５９の上端を加熱溶融させながら、円滑に接触させることにより、図７に示すように、原料棒５７と種結晶棒５９間の被加熱部５５に溶融帯６４を形成させる。

そして、下端に原料棒５７を固定した上結晶駆動軸５６と上端に種結晶棒５９を固定した下結晶駆動軸５８とを共に回転させ、かつ、同期または相対速度を有してゆっくり下方に向かって移動させることによって、原料棒５７と種結晶棒５９間の溶融帯６４が次第に原料棒５７側に移動していって、結晶が成長していき単結晶が育成される。なお、図７における５７ａは原料棒５７側の固液界面を示し、５９ａは種結晶棒５９側の固液界面を示している。

従来では、溶融帯６４を作業者が肉眼で観察しつつ、溶融帯６４の形状が結晶成長に好ましくない状態になったときには、作業者が手動で赤外線ランプ５３，５４への供給電力を調整していた。このため、作業者が長時間装置に付きっきりで調節を行なわなければならなかった。

そこで、複数箇所において、溶融帯６４の径寸法を測定し、その寸法を制御することにより、溶融帯６４の溶融状況を管理するものが提案されている（特許文献１）。

特開平１−４８２４０号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載されたもののように、溶融帯６４の径寸法を測定するものでは、軸方向に沿って複数の径寸法を測定しなければならないため、測定データが多く、演算が煩雑になる。

本発明は、上記課題に鑑みて、単結晶の育成の監視を簡略化することができ、しかも精度よく単結晶を育成することができる単結晶育成装置及び単結晶育成方法を提供する。

本発明の単結晶育成装置は、加熱用エネルギーの供給にて単結晶原料と種結晶との間に溶融帯を形成して単結晶を育成する単結晶育成装置において、前記溶融帯の形状を目視にて監視する監視手段と前記溶融帯の温度を監視する温度測定手段とを備えたものである。

本発明の単結晶育成装置によれば、監視手段を備えることにより、溶融帯の形状を目視により監視することができる。また、温度測定手段を備えることにより、溶融帯の温度を測定することができる。すなわち、溶融帯の形状の目視による監視のみ、溶融帯の温度の測定のみ、溶融帯の形状の目視による監視及び温度の測定、のいずれかを行なうことができる。ここで、目視とは、監視手段を介して、又は直接的に作業者が自らの目で溶融帯を直接確認することを意味する。

前記監視手段及び／又は温度測定手段の監視に基づいて、前記溶融帯における加熱用エネルギーを調節する制御手段を設けることができる。これにより、目視による監視を行なっている間は、最適な形状となるように調節しつつ単結晶を育成することができ、温度による監視を行なっている間は、単結晶原料と種結晶との材質に最適な温度となるように調節しつつ、単結晶を育成することができる。従って、両者の監視を行なえば、より正確に単結晶の育成を行なうことができる。

前記溶融帯からの光を、形状把握用光と温度検出用光とに分散させ、形状把握用光を前記監視手段に入光させ、温度検出用光を前記温度測定手段へ入光させる光分散手段を設けることができる。これにより、溶融帯の目視による監視と、温度による監視とを同時に行なうことができる。

前記溶融帯から放射される放射エネルギーの分布を画像表示することにより、溶融帯の形状及び温度を監視することができる。これにより、溶融帯の形状に対して熱分布を表した画像として捉えることができ、目視による監視と温度による監視とを同時に行なうことができる。

前記監視手段にて溶融帯の形状を監視する状態と、前記温度測定手段にて温度を監視する状態とを切換る切換手段を設けることができる。これにより、溶融帯の、監視手段による目視の監視、及び温度測定手段による温度監視のいずれかを容易に選択することができる。

本発明の単結晶育成方法は、加熱用エネルギーの供給にて単結晶原料と種結晶との間に溶融帯を形成して単結晶を育成する単結晶育成方法において、前記単結晶原料および種結晶の間に形成された溶融帯の形状、及び前記単結晶原料および種結晶の間に形成された溶融帯の温度を監視しつつ、単結晶を育成することができる。

前記溶融帯の形状の監視、及び前記溶融帯の温度の監視に基づいて、前記溶融帯における加熱用エネルギーを調節することができる。

本発明の単結晶育成装置及び単結晶育成方法では、溶融帯を温度により監視することができるため、目視のみの監視と比較して、溶融帯の細かい監視ができ、溶融帯の形状を最適なものとできる。また、温度により監視している間は、目視による監視を行なわなくてもよい。すなわち、温度による監視のみでもっても、単結晶の育成を監視でき、監視作業の簡略化を図ることができる。さらに、単結晶原料と種結晶との材質に最適な温度で単結晶を監視することができるため、多種の材質に適用することができ、汎用性が増加する。

前記監視手段及び温度測定手段の監視に基づいて、前記溶融帯における加熱用エネルギーを調節する制御手段を設けると、リアルタイムで溶融帯の形状を正確に調節することができて、溶融帯の形状を一層正確なものとできる。また、単結晶原料と種結晶との材質に応じて最適な形状、及び温度に調節することができるため、汎用性が増加する。

光分散手段を設けると、溶融帯の目視による監視と、温度による監視とを同時に行なうことができて、両者に基づいて単結晶を高精度に育成することができる。

前記溶融帯から放射される放射エネルギーの分布を画像表示すると、溶融帯の形状において、放射エネルギーの強弱が表示されることになり、目視による監視と温度による監視とを同時に行なうことができるため、形状と温度とを１つのデータとして表示でき、容易に形状と放射エネルギーとを認識することができる。

監視手段及び温度測定手段の位置を切換る切換手段を設けると、監視手段による目視の監視と温度測定手段による温度監視とのいずれかを選択することができるため、所望の監視を行なうことができて、操作性が向上する。

本発明の単結晶育成装置の第１実施形態の全体構成図である。本発明の単結晶育成装置の第２実施形態の全体構成図である。本発明の単結晶育成装置の第３実施形態の全体構成図である。本発明の単結晶育成装置の第４実施形態の全体構成図である。従来の単結晶育成装置の断面図である。前記図５の単結晶育成装置のＡ−Ａ断面図である。単結晶育成装置の溶融帯の拡大正面図である。

以下本発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。本発明に係る単結晶育成装置は、単結晶原料および種結晶に加熱用エネルギーを照射して溶融帯２を形成して単結晶を育成するものである。

本発明の第１実施形態の単結晶育成装置は、図１に示すように、対称形の２つの楕円面鏡１１，１２を有する。各楕円面鏡１１，１２は一方の焦点Ｆ₁，Ｆ₂と他方の焦点Ｆ₀とを有し、各々の他方の焦点Ｆ₀が一致するように対向結合させて加熱炉を構成している。この楕円面鏡１１，１２の内面，すなわち反射面は、赤外線を高反射率で反射させるために金めっき処理が施されている。

各楕円面鏡１１，１２の一方の焦点Ｆ₁，Ｆ₂付近には、加熱源の一例として、例えば、ハロゲンランプ等の赤外線ランプ１３，１４が固定配置されている。この赤外線ランプ１３、１４は、加熱用エネルギー（本実施形態では、赤外線）を供給する光源用電源１に接続されている。各楕円面鏡１１，１２の一致した他方の焦点Ｆ₀には被加熱部１５が位置し、この被加熱部１５を含むように石英管２３が鉛直方向に設置されている。

この石英管２３は、石英管２３の内方部分ｍ₁をそれ以外の回転楕円面鏡１１，１２の内方部分ｍ₂と区分することによって、石英管２３の内方部分ｍ₁を単結晶育成に適する雰囲気に置換し、かつ、その雰囲気状態を維持し易くするものである。

各楕円面鏡１１，１２の一致した焦点Ｆ₀に位置する被加熱部１５では、上方から鉛直方向に延びる図示省略の単結晶原料と、下方から鉛直方向に延びる図示省略の種結晶とを突き合わせている。

溶融帯２から所定間隔離間した位置（各楕円面鏡１１、１２の正面）には、孔部３０が設けられている。そして、この孔部３０の正面には、光分散手段３１が設けられている。この場合、光分散手段３１を、反射光と透過光との比が１対１であるハーフミラーにて構成している。これにより、ハーフミラーにて入射した光の一部を透過させ、一部を反射させる。

そして、ハーフミラー３１からの反射光を受ける位置に、溶融帯２の形状を監視する監視手段２９が設けられている。この監視手段２９は、溶融帯２の画像を撮像するＣＣＤカメラ３２と、ＣＣＤカメラ３２に接続されて、ＣＣＤカメラ３２で撮像した画像を映し出すモニタ３３とから構成されている。

一方、ハーフミラー３１からの透過光を受ける位置に、溶融帯２の温度を監視する温度測定手段３４が設けられている。この温度測定手段３４は、放射温度計にて構成されており、溶融帯２から放射される赤外線の強度を測定して溶融帯２の温度を測定する。そして、ＣＣＤカメラ３２による溶融帯２の形状、及び放射温度計３４による溶融帯２の温度を監視して、溶融帯２が適切な形状、及び適切な温度となるように、溶融帯２における加熱用エネルギーを調節するように光源用電源１を制御する制御手段３５を設けている。この制御手段３５は、赤外線の強弱を調節し、加熱用エネルギーの出力を調節するものである。

次に、本発明の単結晶育成方法について説明する。まず、石英管２３内を不活性ガス等の適切な雰囲気ガスで置換した後、楕円面鏡１１，１２の一方の焦点Ｆ₁，Ｆ₂近傍に配置された赤外線ランプ１３，１４に通電して、赤外線ランプ１３，１４から照射される赤外線を、楕円面鏡１１，１２で反射させ、共通の他方の焦点Ｆ₀に位置する被加熱部１５に集光させて赤外線加熱する。この赤外線加熱による輻射エネルギーにより、従来と同様の方法で被加熱部１５の単結晶原料（図示省略）の下端および種結晶（図示省略）の上端を加熱溶融させながら、接触させる。

そして、下端に単結晶原料を固定した上結晶駆動軸（図示省略）と、上端に種結晶を固定した下結晶駆動軸（図示省略）とを共に回転させ、かつ、同期してゆっくり下方に向かって移動させることによって、単結晶原料と種結晶間の被加熱部１５に形成された溶融帯２が次第に単結晶原料側に移動して、単結晶が育成される。

この場合、ハーフミラー３１を反射した反射光により、ＣＣＤカメラ３２を介して溶融帯２の形状を目視により監視する。ここで、目視とは、監視手段を介して、又は直接的に作業者が自らの目で溶融帯を直接確認することを意味する。それと同時に、ハーフミラー３１を透過した透過光により、放射温度計３４にて溶融帯２の温度を測定する。すなわち、溶融帯２から放射される赤外線の強度を放射温度計３４にて測定する。これにより、溶融帯２を、目視による監視に加えて、温度による監視を同時に行なうことができる。この場合、両者の監視を行なうことができ、より正確に単結晶の育成を行なうことができる。また、温度により監視している間は、目視による監視を行なわなくてもよい。すなわち、温度による監視のみでもっても、単結晶の育成を監視でき、監視作業の簡略化を図ることができる。

単結晶原料および種結晶には、その材質に応じて最適な形状、及び温度範囲が存在する。従って、溶融帯２の形状が最適な形状とは異なる形状となると、正常に単結晶を育成できない可能性がある。また、溶融帯２の温度が最適な温度範囲から外れると、正常に単結晶を育成できない可能性がある。そこで、溶融帯２の形状が最適な形状とは異なる形状となった場合や、溶融帯２の温度が最適な温度範囲から外れた場合には、制御手段３５を制御することにより、溶融帯２への加熱用エネルギーの出力を調節する。具体的には、光源用電源１の出力を変更して赤外線の強弱を調節する。このようにして、目視による監視を行なえば、最適な形状となるように調節しつつ単結晶を育成することができ、温度による監視を行なえば、単結晶原料と種結晶との材質に最適な温度となるように調節しつつ、単結晶を育成することができる。

このように、本発明では監視手段２９を備えることにより、溶融帯２の形状を目視により監視することができる。また、温度測定手段３４を備えることにより、溶融帯２の温度を測定することができる。すなわち、溶融帯２の形状の目視による監視のみ、溶融帯２の温度の測定のみ、溶融帯２の形状の目視による監視及び温度の測定、のいずれかを行なうことができる。これにより、目視のみの監視と比較して、溶融帯２の細かい監視ができ、溶融帯２の形状を最適なものとできる。また、温度により監視している間は、目視による監視を行なわなくてもよく、温度による監視のみでもっても、単結晶の育成を監視でき、監視作業の簡略化を図ることができる。さらに、単結晶原料と種結晶との材質に最適な温度で単結晶を監視することができるため、多種の材質に適用することができ、汎用性が増加する。

監視手段２９及び温度測定手段３４の監視に基づいて、溶融帯２における加熱用エネルギーを調節する制御手段３５を設けると、リアルタイムで溶融帯２の形状を正確に調節することができて、溶融帯２の形状を一層正確なものとできる。また、形状による監視を行なっている間は、最適な形状となるように単結晶を育成することができ、温度による監視を行なっている間は、単結晶原料と種結晶との材質に応じた温度で単結晶を育成することができるため、汎用性が増加する。

溶融帯２からの光を、形状把握用光と温度検出用光とに分散させ、形状把握用光を前記監視手段２９に入光させ、温度検出用光を温度測定手段３４へ入光させる光分散手段３１を設けることができる。これにより、溶融帯２の目視による監視と、温度による監視とを同時に行なうことができて、両者に基づいて単結晶を高精度に育成することができる。

次に、本発明の第２実施形態の単結晶育成装置は、第１実施形態の単結晶育成装置のＣＣＤカメラ３２、放射温度計３４、及び光分散手段３１に替えて、図２に示すように、監視手段と温度測定手段とを一体化したサーモグラフィ４０を設けたものである。すなわち、サーモグラフィ４０にて、溶融帯２から放射される放射エネルギーの分布を画像表示する。これにより、溶融帯２の２次元的なエネルギー分布を取得することができ、目視による監視と温度による監視とを同時に行なうことができる。

このように、本発明の第２実施形態の単結晶育成装置も、前記第１実施形態の単結晶育成装置と同様の効果を奏する。特に、目視による監視と、温度による監視とを同時に行なうことができるため、形状と温度とを１つのデータとして表示でき、容易に形状と放射エネルギーとを認識することができる。なお、図２に示す単結晶育成装置において、図１と同様の構成については、図１と同一符号を付してその説明を省略する。

次に、本発明の第３実施形態の単結晶育成装置について説明する。この場合、第１実施形態の単結晶育成装置の光分散手段に替えて、図３に示すように、切換手段５０を設けたものである。すなわち、切換手段５０は、溶融帯２から所定間隔離間した位置に、前記ＣＣＤカメラ３２又は放射温度計３４のいずれかが配設されるように、ＣＣＤカメラ３２及び放射温度計３４の位置を切換る。切換手段５０は、手動により切換るものであっても、電気信号にて切換るものであってもよい。また、切換えは、作業者の判断で行なうものであってもよく、また、自動で行なうものであってもよい。自動で行なう場合は切換のタイミングは種々設定するようにできる。

例えば、まずＣＣＤカメラ３２を溶融帯２の正面に配設して、目視による監視を行なう。そして、ある程度単結晶の育成が進行すれば、所定のタイミングで切換手段５０を操作して、放射温度計３４を溶融帯２の正面に配設する。このようにして、溶融帯２を、ＣＣＤカメラ３２による目視の調節、及び放射温度計３４による温度調節のいずれかを選択することができる。

このように、本発明の第３実施形態の単結晶育成装置も、前記第１実施形態の単結晶育成装置と同様の効果を奏する。特に、監視手段２９による目視の監視と温度測定手段３４による温度監視とのいずれかを選択することができるため、所望の監視を行なうことができて、操作性が向上する。なお、図３に示す単結晶育成装置において、図１と同様の構成については、図１と同一符号を付してその説明を省略する。

次に、本発明の第４実施形態の単結晶育成装置について説明する。この場合、溶融帯２から所定間隔離間した位置（各楕円面鏡１１、１２の正面）には、第１の孔部３０が設けられるとともに、この孔部３０と１８０°対称位置（各楕円面鏡１１、１２の背面）には、第２の孔部６０が設けられている。そして、正面側には、ＣＣＤカメラ３２が設けられており、孔部３０を介して溶融帯２が目視にて監視できるようにしている。また、背面側には、放射温度計３４が設けられており、孔部６０を介して溶融帯２の温度を監視できるようにしている。

このように、本発明の第４実施形態の単結晶育成装置も、前記第１実施形態の単結晶育成装置と同様の効果を奏する。なお、図４に示す単結晶育成装置において、図１と同様の構成については、図１と同一符号を付してその説明を省略する。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、加熱源としてハロゲンランプ等の赤外線ランプに替えて、レーザ源よりレーザ加熱を行ってもよい。光分散手段３１として、実施形態ではハーフミラー（つまり、反射光と透過光との比が１対１）を用いたが、反射光と透過光との比が１対１ではないものを用いてもよい。

２溶融帯
２９監視手段
３１ハーフミラー
３２ＣＣＤカメラ
３３モニタ
３４放射温度計
３５制御手段
５０切換手段

Claims

加熱用エネルギーの供給にて単結晶原料と種結晶との間に溶融帯を形成して単結晶を育成する単結晶育成装置において、
前記溶融帯の形状を目視にて監視する監視手段と前記溶融帯の温度を監視する温度測定手段とを備えたことを特徴とする単結晶育成装置。
前記監視手段及び／又は温度測定手段の監視に基づいて、前記溶融帯における加熱用エネルギーを調節する制御手段を設けたことを特徴とする請求項１の単結晶育成装置。
前記溶融帯からの光を、形状把握用光と温度検出用光とに分散させ、形状把握用光を前記監視手段に入光させ、温度検出用光を前記温度測定手段へ入光させる光分散手段を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２の単結晶育成装置。
前記溶融帯から放射される放射エネルギーの分布を画像表示することにより、溶融帯の形状及び温度を監視することを特徴とする請求項１又は請求項２の単結晶育成装置。
前記監視手段にて溶融帯の形状を監視する状態と、前記温度測定手段にて温度を監視する状態とを切換る切換手段を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２の単結晶育成装置。
加熱用エネルギーの供給にて単結晶原料と種結晶との間に溶融帯を形成して単結晶を育成する単結晶育成方法において、
前記単結晶原料および種結晶の間に形成された溶融帯の形状、及び前記単結晶原料および種結晶の間に形成された溶融帯の温度を監視しつつ、単結晶を育成することを特徴とする単結晶育成方法。
前記溶融帯の形状の監視、及び前記溶融帯の温度の監視に基づいて、前記溶融帯における加熱用エネルギーを調節することを特徴とする請求項６の単結晶育成方法。