JP2017154919A - Floating zone melting apparatus - Google Patents

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Isamu Shindo
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a floating zone melting apparatus that uses a semiconductor laser module as an infrared-ray irradiation source and can efficiently raise a single crystal while optionally and continuously varying a size of a light condensation region.SOLUTION: The present invention relates to an infrared-ray condensation heating type floating zone melting apparatus 10 that comprises a semiconductor laser module 30 for irradiation with laser light of infrared rays, and a condensation system which makes laser light of infrared rays 20 emitted by the semiconductor laser module 30 into parallel light of desired size to irradiate a sample rod 14. The condensation system has a cylindrical lens group 50 consisting of a plurality of cylindrical lenses 52, 54, 56, and 58 and a condenser lens 62 positioned between the cylindrical lens group 50 and the sample rod 14, and the condenser lens 62 is configured to vary and adjust a relative position to the sample rod 14 through a variable adjustment part 70, thereby raising a single crystal by heating and fusing the sample rod 14 through irradiation with the infrared rays 20 into a melt and then solidifying the melt on a seed crystal.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、赤外線を試料に照射して加熱溶融することで融液を得て、この融液を種子結晶上に固化させて単結晶を育成するためなどに用いられる赤外線集中加熱式の浮遊帯域溶融装置に関する。   The present invention relates to an infrared concentrated heating type floating zone used for obtaining a melt by irradiating a sample with infrared rays and heating and melting it, and solidifying the melt on a seed crystal to grow a single crystal. It relates to a melting apparatus.

赤外線集中加熱式の浮遊帯域溶融装置は、
・坩堝を使用せずに試料の溶融が行えること、
・雰囲気ガスを任意に選べること、
・浮遊帯域法を利用して種々の組成の単結晶の育成が行えること、
・浮遊帯域徐冷法による相平衡研究が行えること、
・比較的少ない電力で高温度が容易に得られること、
などの利点があり、単結晶の育成や相平衡の研究などに広く利用されている。
Infrared central heating type floating zone melting equipment
・ The sample can be melted without using a crucible.
・ Any atmosphere gas can be selected.
・ Grow single crystals of various compositions using the floating zone method,
・ The ability to conduct phase equilibrium studies by floating zone annealing.
・ High temperature can be easily obtained with relatively little power,
It is widely used for single crystal growth and phase equilibrium studies.

このような浮遊帯域溶融装置を単結晶の育成に使用するためには、試料の溶融部において高温が得られること、試料(試料棒)の棒軸を中心とした円周方向における温度が均質であること、垂直方向(棒軸方向)における温度分布が急峻で、局部加熱が容易であり融液を試料棒に容易に保持できることなどの条件が求められる。   In order to use such a floating zone melting apparatus for growing a single crystal, a high temperature is obtained in the melting part of the sample, and the temperature in the circumferential direction around the rod axis of the sample (sample rod) is uniform. There are also required conditions such as that the temperature distribution in the vertical direction (bar axis direction) is steep, local heating is easy, and the melt can be easily held on the sample bar.

従来、このような条件を達成するために様々な形式の赤外線集中加熱式の浮遊帯域溶融装置が開発され、半導体や酸化物などの絶縁体など様々な材料の単結晶の育成用として利用されている。   Conventionally, in order to achieve these conditions, various types of infrared concentrated heating type floating zone melting devices have been developed and used to grow single crystals of various materials such as insulators such as semiconductors and oxides. Yes.

このような浮遊帯域溶融装置を使用して単結晶を育成する際には、対象物質によって融点が3000℃に達する超高融点物質から数百度の低融点物質まで幅広い。
また単結晶育成に際しての雰囲気についても、通常の酸化物材料では空気もしくは酸素が使用される場合が多いが、多くの金属材料では酸素との反応を避けるためにアルゴンガス雰囲気下で材料を溶融し、固化させて単結晶を製造している。
When a single crystal is grown using such a floating zone melting apparatus, a wide range of materials, from an extremely high melting point material having a melting point of 3000 ° C. to a low melting point material of several hundred degrees, depending on the target substance.
As for the atmosphere for single crystal growth, air or oxygen is often used in ordinary oxide materials, but in many metal materials, the material is melted in an argon gas atmosphere in order to avoid reaction with oxygen. , Solidified to produce a single crystal.

さらに基礎研究用の単結晶材料のサイズは、多くの場合、直径10mm程度以下であるが、例えば中性子回折による材料研究用としては直径が30mm程度の大きな単結晶が望まれる。他には有用物質について応用研究用途開発を行う場合には、できるだけ直径の大きな単結晶が必要とされる。   Furthermore, the size of a single crystal material for basic research is often about 10 mm or less in diameter, but for example, a large single crystal having a diameter of about 30 mm is desired for material research by neutron diffraction. In addition, when developing an application research application for a useful substance, a single crystal having a diameter as large as possible is required.

従来、このように棒状の試料(試料棒)に赤外線を照射して溶解,固化させて単結晶を製造する際には、図4(a)に示したように、透明石英管(図示せず)内において丸棒状の試料棒110と種子結晶112とを上下に並べて配置し、試料棒110に楕円鏡104を用いて2箇所の焦点位置のうち一方の焦点位置に赤外線ランプ106を設置し、この赤外線ランプ106から発せられた赤外線102を楕円鏡104で反射して他方の焦点位置に集光させ、この集光した焦点位置で赤外線102が試料棒110を加熱し、溶融体が形成されるようにし、図4(b)に示したように、赤外線ランプ106を徐々に試料棒110に対して水平方向に相対移動させることにより、試料棒110の融解,固化が継続され棒状の単結晶(育成結晶114)が育成される、いわゆる赤外線集中加熱式の浮遊帯域溶融装置100が使用されている(例えば特許文献1)。   Conventionally, when a single crystal is manufactured by irradiating infrared rays onto a rod-like sample (sample rod) and solidifying it as described above, a transparent quartz tube (not shown) is used as shown in FIG. ), A round bar-shaped sample bar 110 and a seed crystal 112 are arranged one above the other, and an infrared lamp 106 is installed at one of the two focal positions using the elliptical mirror 104 on the sample bar 110, The infrared ray 102 emitted from the infrared lamp 106 is reflected by the elliptical mirror 104 and condensed at the other focal position, and the infrared ray 102 heats the sample rod 110 at the condensed focal position to form a melt. In this way, as shown in FIG. 4B, the sample lamp 110 is continuously melted and solidified by gradually moving the infrared lamp 106 in the horizontal direction with respect to the sample bar 110. Growth crystal 114 There is growing, floating zone melting apparatus 100 of a so-called infrared concentration heating type is used (for example, Patent Document 1).

ここで赤外線ランプ106としてはハロゲンランプが使用される場合が多く、この場合には最高到達温度が2200℃程度とされ、これよりも高い温度が必要な場合にはキセノンランプが使用されている。   Here, a halogen lamp is often used as the infrared lamp 106. In this case, the maximum temperature reached is about 2200 ° C., and a xenon lamp is used when a higher temperature is required.

なおハロゲンランプは抵抗加熱式ランプであるのに対し、キセノンランプは放電加熱(アーク加熱)式であるため、点灯方式や出力制御方式が両者全く異なる。したがってハロゲンランプとキセノンランプの互換性は極めて低く、キセノンランプ式は超高温用、ハロゲンランプ式は高温用として別々に使用されている。   The halogen lamp is a resistance heating type lamp, whereas the xenon lamp is a discharge heating (arc heating) type, so the lighting system and the output control system are completely different. Accordingly, the compatibility between the halogen lamp and the xenon lamp is extremely low, and the xenon lamp type is used separately for ultra-high temperatures and the halogen lamp type is used separately for high temperatures.

また、単結晶の大口径化が可能な方式として、赤外線を斜め上方から試料棒に照射するいわゆる傾斜照射型の浮遊帯域溶融装置(図示せず)も開発され、それまでの水平照射型の浮遊帯域溶融装置100よりもさらに大口径の単結晶が育成可能となっている。   In addition, as a method capable of increasing the diameter of a single crystal, a so-called inclined irradiation type floating zone melting device (not shown) that irradiates a sample rod with an infrared ray obliquely from above has been developed. A single crystal having a larger diameter than that of the zone melting apparatus 100 can be grown.

一方、最近では、赤外線ランプの代わりに半導体レーザを赤外線の照射源として使用する半導体レーザ式の浮遊帯域溶融装置(図示せず)も開発され実用化されている(例えば特許文献2)。   On the other hand, recently, a semiconductor laser type floating zone melting apparatus (not shown) using a semiconductor laser as an infrared irradiation source instead of an infrared lamp has been developed and put into practical use (for example, Patent Document 2).

半導体レーザ式の浮遊帯域溶融装置は、赤外線ランプ式のように楕円鏡が必要無く、装置全体として極めて小型化が容易となる。また供給エネルギーの利用効率は、半導体レーザ式の場合50%程度であるのに対し、赤外線ランプ式の場合では、赤外線ランプの発光効率が30%程度である上に楕円鏡で集光する必要があり、全体として供給エネルギーの利用効率は15%程度である。   The semiconductor laser type floating zone melting apparatus does not require an elliptical mirror unlike the infrared lamp type, and the entire apparatus can be extremely miniaturized. In addition, the utilization efficiency of the supplied energy is about 50% in the case of the semiconductor laser type, whereas in the case of the infrared lamp type, the emission efficiency of the infrared lamp is about 30% and the light needs to be condensed with an elliptical mirror. Yes, the overall utilization efficiency of the supplied energy is about 15%.

このため赤外線ランプ式は、半導体レーザ式の30%程度の利用効率にしかならないと言われている。
さらに、ハロゲンランプはタングステンフィラメントを使用しているので赤外線ランプのサイズが大きく、楕円鏡を使用して小さな集光域を得ることが困難であり、最高到達温度が2000℃を少し上回る程度である。
For this reason, it is said that the infrared lamp type has only about 30% utilization efficiency of the semiconductor laser type.
Furthermore, since the halogen lamp uses a tungsten filament, the size of the infrared lamp is large, and it is difficult to obtain a small condensing region using an elliptical mirror, and the maximum temperature reached is a little over 2000 ° C. .

このため、これ以上の高温が必要な場合には、赤外線ランプのサイズが小さく、高輝度が得られるキセノンランプが使用されている。
ただし、キセノンランプは放電加熱(アーク加熱)式であるため、ハロゲンランプと比べて照射安定性に劣り、価格も高価である。したがって、ハロゲンランプが適用可能な比較的低温の温度範囲ではハロゲンランプを使用し、それ以上の高温が必要とされる温度範囲ではキセノンランプを使用するといった使い分けをするのが一般的である。
For this reason, when a temperature higher than this is required, a xenon lamp is used in which the size of the infrared lamp is small and high brightness can be obtained.
However, since the xenon lamp is a discharge heating (arc heating) type, it is inferior in irradiation stability and expensive in comparison with a halogen lamp. Therefore, the halogen lamp is generally used in a relatively low temperature range to which the halogen lamp can be applied, and the xenon lamp is generally used in a temperature range where a higher temperature is required.

半導体レーザ式は、集光域を小さくすると高温が得られるので、一台の浮遊帯域溶融装置で材料の融点に応じて集光域の大きさを制御することができ、前述した赤外線ランプ式のように融点範囲に応じてハロゲンランプとキセノンランプとを使い分ける必要がない。   Since the semiconductor laser type can obtain a high temperature by reducing the condensing region, the size of the condensing region can be controlled according to the melting point of the material with a single floating zone melting device. Thus, it is not necessary to use a halogen lamp and a xenon lamp separately according to the melting point range.

試料棒に赤外線を照射して溶解,固化させて単結晶を育成する実際の工程においては、赤外線の照射に際して求められる集光域(照射域)のサイズは、状況に応じて大きく変動する。   In the actual process of growing a single crystal by irradiating a sample bar with infrared rays to melt and solidify, the size of a light collection area (irradiation area) required for infrared irradiation varies greatly depending on the situation.

例えばシリコン単結晶の育成の場合には、細い種子結晶を使用し、試料棒を溶解,固化して結晶成長を開始したら、直ちに直径を4mm程度以下と細く維持し、育成結晶中に生じている結晶欠陥の一種である転位を除去させ、徐々に直径を大きくして所定の太さの大型の単結晶を育成している。   For example, in the case of growing a silicon single crystal, a thin seed crystal is used, and when crystal growth is started by melting and solidifying a sample rod, the diameter is immediately maintained to be about 4 mm or less and is generated in the grown crystal. Dislocations, which are a type of crystal defect, are removed, and a large single crystal having a predetermined thickness is grown by gradually increasing the diameter.

試料棒に赤外線を照射して溶解,固化させて単結晶を育成する場合、直径数mmの単結晶を安定的に育成するには、直径と同程度のサイズの集光域が必要とされている。このことは直径300mm程度の大型の単結晶を育成するには、それと同等程度の大きな集光域が必要であることを意味している。   When a single crystal is grown by irradiating the sample bar with infrared rays to melt and solidify, a condensing area of the same size as the diameter is required to stably grow a single crystal with a diameter of several millimeters. Yes. This means that in order to grow a large single crystal having a diameter of about 300 mm, a large condensing area equivalent to that is necessary.

特許第5279727号公報Japanese Patent No. 5279727 特願2015−046091号Japanese Patent Application No. 2015-046091

種子結晶を使用して高品質な単結晶を育成するには、育成の当初は直径数mm程度の集光域が求められ、育成結晶の直径を大口径化するに伴って集光域を連続的に最適なサイズに任意に調整可能であることが重要である。   In order to grow a high-quality single crystal using seed crystals, a condensing area with a diameter of about several millimeters is required at the beginning of the growth, and the condensing area is continuously increased as the diameter of the growing crystal is increased. It is important that it can be arbitrarily adjusted to an optimal size.

本発明はこのような実情に鑑み、赤外線の照射源として半導体レーザモジュールを使用し、赤外線の集光域のサイズを任意に連続的に調整可能であり、効率的に単結晶を育成することのできる赤外線集中加熱式の浮遊帯域溶融装置を提供することを目的とする。   In view of such circumstances, the present invention uses a semiconductor laser module as an infrared irradiation source, can arbitrarily continuously adjust the size of the infrared condensing region, and efficiently grows a single crystal. An object of the present invention is to provide an infrared concentrated heating type floating zone melting apparatus.

本発明は、前述したような従来技術における問題点を解決するために発明されたものであって、
本発明の浮遊帯域溶融装置は、
赤外線を試料棒に照射して加熱溶融することで融液を得て、前記融液を種子結晶上に固化させて単結晶を育成する赤外線集中加熱式の浮遊帯域溶融装置であって、
前記浮遊帯域溶融装置は、
前記赤外線のレーザ光を照射する半導体レーザモジュールと、
前記半導体レーザモジュールから照射された赤外線のレーザ光を所望のサイズの平行光にし、さらに前記平行光を集光させて前記試料棒に照射する集光系と、
を少なくとも備え、
前記集光系が、
複数のシリンドリカルレンズからなるシリンドリカルレンズ群と、
前記シリンドリカルレンズ群と前記試料棒との間に位置する集光レンズと、
を有し、
前記集光レンズは、可変調整部を介して前記試料に対する相対位置を可変調整できるよう構成されていることを特徴とする。
The present invention was invented to solve the problems in the prior art as described above,
The floating zone melting apparatus of the present invention is
Infrared concentration heating type floating zone melting apparatus for irradiating a sample rod with infrared rays to obtain a melt by heating and melting, and solidifying the melt on a seed crystal to grow a single crystal,
The floating zone melting device is:
A semiconductor laser module for irradiating the infrared laser beam;
A condensing system for converting the infrared laser light emitted from the semiconductor laser module into parallel light of a desired size, further condensing the parallel light and irradiating the sample rod;
Comprising at least
The condensing system is
A cylindrical lens group composed of a plurality of cylindrical lenses;
A condenser lens positioned between the cylindrical lens group and the sample rod;
Have
The condensing lens is configured to be able to variably adjust a relative position with respect to the sample via a variable adjustment unit.

このように、半導体レーザモジュールから照射される赤外線のレーザ光の集光域のサイズを可変調整部で可変調整可能とする赤外線集中加熱式の浮遊帯域溶融装置であれば、3000℃に達する超高融点物質から1000℃以下の比較的低融点の物質まで、広い温度範囲をカバー可能である。   As described above, if the concentration zone of the infrared laser light irradiated from the semiconductor laser module is variably adjustable by the variable adjustment unit, the infrared concentrated heating type floating zone melting apparatus can reach 3000 ° C. A wide temperature range can be covered from a melting point material to a relatively low melting point material of 1000 ° C. or lower.

したがって単結晶の育成の初期では直径5mm以下の細い単結晶を育成するための小さな集光域を実現し、単結晶の育成に応じて集光レンズを可変調整部を介して移動させることで、大きな集光域を得て、単結晶の直径を次第に大口径化する連続した対応が可能である。   Therefore, at the initial stage of single crystal growth, a small condensing area for growing a thin single crystal having a diameter of 5 mm or less is realized, and by moving the condensing lens via the variable adjustment unit according to the growth of the single crystal, It is possible to obtain a large condensing region and continuously cope with increasing the diameter of the single crystal.

このため高品質で大型の単結晶を一台の装置で連続的に育成可能であり、また比較的簡素化された構造であるため浮遊帯域溶融装置のコスト高を招くことを防止することができ、実用性の極めて高い浮遊帯域溶融装置を提供することができる。   For this reason, it is possible to continuously grow a large single crystal of high quality with a single device, and it is possible to prevent the cost of the floating zone melting device from being increased due to the relatively simplified structure. Thus, it is possible to provide a floating zone melting apparatus with extremely high practicality.

なお、単結晶を育成する場合には原料粉末を溶解し、丁寧に固化させるいわゆる融液法と呼ばれる方法が最も効率が高く汎用性の広い方法であり、ほとんどの単結晶材料の製造法として採用されている。   When growing single crystals, the so-called melt method, in which the raw material powder is dissolved and carefully solidified, is the most efficient and versatile method, and is adopted as the method for producing most single crystal materials. Has been.

代表的な融液法は、適当なルツボ中で原料を融解し、これに種子結晶を浸して太らせながら上方に引き上げる、いわゆる引上法である。この引上法は大型の単結晶を育成できる方法として知られている。   A typical melt method is a so-called pulling method in which a raw material is melted in a suitable crucible, and seed crystals are immersed in the crucible and pulled upward while being thickened. This pulling method is known as a method capable of growing a large single crystal.

しかしながら引上法は、使用するルツボからの汚染が避けられず、ルツボ中の原料を全て最初に融解して固化させるため偏析が生じ、育成した単結晶中の組成が均質にならないなど、本質的な欠陥がある。   However, with the pulling method, contamination from the crucible used is unavoidable, and all the raw materials in the crucible are first melted and solidified, causing segregation, and the composition in the grown single crystal is not uniform. There is a flaw.

本願発明の浮遊帯域溶融装置で行う浮遊帯域溶融法は、原料を棒状に加工した試料棒を用意し、この試料棒の下端を溶融し、種子結晶上に固化させることを継続して棒状の単結晶を育成するものであり、ルツボを使わない方法である。したがってルツボ材料からの汚染が無く、原料の融解,固化が継続されるので育成した単結晶の組成が均質にできるとの利点がある。   In the floating zone melting method performed in the floating zone melting apparatus of the present invention, a sample rod obtained by processing a raw material into a rod shape is prepared, and the lower end of the sample rod is continuously melted and solidified on a seed crystal. It is a method for growing crystals and does not use a crucible. Therefore, there is no contamination from the crucible material, and there is an advantage that the composition of the grown single crystal can be made homogeneous because the melting and solidification of the raw material is continued.

浮遊帯域溶融装置には、原料を融解するのに高周波誘導加熱法を用いるものや、赤外線を照射して融解するいわゆる赤外線照射法を用いるものが知られている。高周波誘導加熱法は、原料が絶縁体では適用できないが、赤外線照射法は、絶縁体はもちろん半導体や金属物質にも適用できるため、高品質な単結晶の育成法として赤外線照射法が広く利用されている。   Known floating zone melting apparatuses use a high-frequency induction heating method for melting raw materials, and a so-called infrared irradiation method for melting by irradiating infrared rays. The high-frequency induction heating method cannot be applied to insulators as raw materials, but the infrared irradiation method can be applied not only to insulators but also to semiconductors and metal materials. Therefore, the infrared irradiation method is widely used as a method for growing high-quality single crystals. ing.

赤外線の照射源としてはハロゲンランプもしくはキセノンランプなどの赤外線ランプを使用し、赤外線ランプから発せられる赤外線を楕円鏡で集光して照射する方式が一般的であったが、近年、半導体レーザを使用する半導体レーザ式が注目され、近い将来は半導体レーザ式が主流になると予想される。本発明は、この半導体レーザ式を採用した浮遊帯域溶融装置である。   Infrared lamps such as halogen lamps or xenon lamps are used as the infrared irradiation source, and the infrared rays emitted from the infrared lamps are generally condensed and irradiated by an elliptical mirror. In recent years, semiconductor lasers have been used. In the near future, the semiconductor laser type is expected to become the mainstream. The present invention is a floating zone melting apparatus employing this semiconductor laser type.

ここで、赤外線を照射して原料となる試料棒を融解,固化させて単結晶を育成する工程において、試料棒に照射する赤外線の照射域の大きさは、試料棒の融点が高いか,低いか、あるいは育成する単結晶の直径を細くするか,太くするかなどに応じて任意に設定する必要がある。   Here, in the process of growing a single crystal by irradiating infrared rays to melt and solidify a raw material sample rod, the size of the infrared irradiation area irradiated to the sample rod is high or low. Alternatively, it is necessary to arbitrarily set depending on whether the diameter of the single crystal to be grown is thinned or thickened.

例えば融点が2000℃を超える超高融点物質を融解させるには、赤外線を高密度に集光させることにより可能となる。ここで重要なのは、この高密度に集光した赤外線を照射して低い融点物質を融解することは可能であるものの、この場合に単結晶の育成が困難になってしまうということである。   For example, it is possible to melt an ultra-high melting point material having a melting point exceeding 2000 ° C. by condensing infrared rays with high density. What is important here is that although it is possible to melt the low melting point material by irradiating the infrared rays condensed at a high density, it becomes difficult to grow a single crystal in this case.

すなわち、対象物質の融点に対して赤外線の集光密度を高くし過ぎると、融解は可能ではあるものの生成した融液が過熱され続けた状態となり、安定的に固化させることが困難となってしまう。   That is, if the concentration of infrared rays is made too high with respect to the melting point of the target substance, the melt that can be melted will continue to be overheated, but it will be difficult to solidify stably. .

試料棒に赤外線を照射して融解,固化させて単結晶を育成する浮遊帯域溶融法で形成される融液は、下方で育成される単結晶の上に安定的に保持され、また安定的に冷却されて固化されることが必要である。しかしながら融液が過熱され過ぎて高温になりすぎると、下方の単結晶の上部に安定的に保持させ融点まで冷却する間もなく、融液が落下してしまう危険性が増し、単結晶の育成が不安定になってしまう。   The melt formed by the floating zone melting method in which the sample bar is irradiated with infrared rays and melted and solidified to grow the single crystal is stably held on the single crystal grown below and is also stable. It needs to be cooled and solidified. However, if the melt is overheated and becomes too hot, there is an increased risk of the melt falling without being stably held at the top of the lower single crystal and cooling to the melting point, and the growth of the single crystal is not possible. It becomes stable.

したがって安定的に単結晶を育成するには、材料の融点に合致した赤外線の集光密度と集光範囲が必要となり、正確な制御が求められる。原料の融解,固化は、連続した一連の作業であるため、状況に応じて赤外線の集光密度や集光域のサイズ調整も連続的に任意にかつスムーズに行える浮遊帯域溶融装置が求められる。   Therefore, in order to grow a single crystal stably, an infrared condensing density and a condensing range that match the melting point of the material are required, and accurate control is required. Since melting and solidification of the raw material is a continuous series of operations, a floating zone melting apparatus that can continuously and arbitrarily adjust the concentration density of infrared rays and the size of the collection area is required depending on the situation.

本発明においては、赤外線の照射源として半導体レーザモジュールを用い、この半導体レーザモジュールから照射された赤外線のレーザ光をシリンドリカルレンズ群で所望のサイズの平行光にし、さらにこの平行光を集光レンズで集光させて試料棒に照射するようにし、特にこの集光レンズを可変調整部を介して位置を可変可能とすることで、赤外線の集光範囲を調整可能としており、これにより単結晶を次第に大口径化する連続した単結晶の育成を行うことができる。   In the present invention, a semiconductor laser module is used as an infrared radiation source. The infrared laser light emitted from the semiconductor laser module is converted into parallel light of a desired size by a cylindrical lens group, and the parallel light is further converted by a condenser lens. Focusing and irradiating the sample rod, especially by making the position of this condensing lens variable via the variable adjustment section, it is possible to adjust the infrared condensing range, thereby gradually increasing the single crystal A continuous single crystal having a large diameter can be grown.

また本発明の浮遊帯域溶融装置は、
前記可変調整部は、前記単結晶の育成速度に応じて位置および/または角度を調整する自動調整機能を有することを特徴とする。
The floating zone melting apparatus of the present invention is
The variable adjustment unit has an automatic adjustment function of adjusting a position and / or an angle according to the growth rate of the single crystal.

このように自動調整機能を有していれば、単結晶の育成速度に応じて集光レンズの位置および/または角度を調整させることで、連続的に単結晶の大口径化を進めることができる。   With such an automatic adjustment function, the diameter of the single crystal can be continuously increased by adjusting the position and / or angle of the condensing lens according to the growth rate of the single crystal. .

また本発明の浮遊帯域溶融装置は、
前記シリンドリカルレンズ群が、
前記赤外線のレーザ光を縦軸方向および横軸方向の平行光にする縦軸シリンドリカルレンズおよび横軸シリンドリカルレンズと、
前記縦軸シリンドリカルレンズおよび横軸シリンドリカルレンズで縦軸方向および横軸方向に平行にされた光を大径化する拡張シリンドリカルレンズと、
前記拡張シリンドリカルレンズで拡張された光を再度平行光にする平行変更用シリンドリカルレンズと、
を有することを特徴とする。
The floating zone melting apparatus of the present invention is
The cylindrical lens group is
A vertical cylindrical lens and a horizontal cylindrical lens that convert the infrared laser beam into parallel light in the vertical and horizontal directions;
An expanded cylindrical lens that enlarges the diameter of light that is parallel to the vertical axis direction and the horizontal axis direction by the vertical axis cylindrical lens and the horizontal axis cylindrical lens;
A parallel-changing cylindrical lens that converts the light expanded by the extended cylindrical lens into parallel light again;
It is characterized by having.

このようにシリンドリカルレンズ群として、これらのシリンドリカルレンズが設けられていれば、確実に赤外線のレーザ光を所望のサイズの平行光にすることができる。   As described above, if these cylindrical lenses are provided as the cylindrical lens group, the infrared laser beam can be surely converted into parallel light of a desired size.

本発明によれば、赤外線の照射源として半導体レーザモジュールを用い、この半導体レーザモジュールから照射された赤外線のレーザ光をまずは所望のサイズの平行光にし、さらにこの平行光を集光レンズで集光させて試料棒に照射するようにし、特にこの集光レンズを、可変調整部を介して位置を可変可能とすることで、赤外線の集光範囲を調整可能としており、これにより集光域のサイズを任意に連続的に可変可能で効率的に単結晶を育成することのできる浮遊帯域溶融装置を提供することができる。   According to the present invention, a semiconductor laser module is used as an infrared radiation source. The infrared laser light emitted from the semiconductor laser module is first converted into parallel light of a desired size, and the parallel light is collected by a condenser lens. It is possible to adjust the infrared condensing range by adjusting the position of the condensing lens, especially through the variable adjustment unit. Thus, it is possible to provide a floating zone melting apparatus that can be continuously varied and can grow a single crystal efficiently.

図1は、本発明の赤外線集中加熱式の浮遊帯域溶融装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of an infrared concentrated heating type floating zone melting apparatus of the present invention. 図2は、図1に示した浮遊帯域溶融装置の要部拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a main part of the floating zone melting apparatus shown in FIG. 図3は、集光レンズを可変調整部で移動させた状態を示した図2と同様の浮遊帯域溶融装置の要部拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of a main part of the floating zone melting apparatus similar to FIG. 2 showing a state in which the condenser lens is moved by the variable adjustment unit. 図4は、従来の赤外線ランプを用いた浮遊帯域溶融装置の概略図であり、図4(a)は単結晶の育成初期段階を示した図、図4(b)は赤外線ランプを移動させて集光域を変えた単結晶の育成後期段階を示した図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a floating zone melting apparatus using a conventional infrared lamp, FIG. 4 (a) is a diagram showing an initial stage of single crystal growth, and FIG. 4 (b) is a diagram in which the infrared lamp is moved. It is the figure which showed the growth late stage of the single crystal which changed the condensing area | region.

以下、本発明の実施の形態(実施例)を図面に基づいてより詳細に説明する。
本発明の赤外線集中加熱式の浮遊帯域溶融装置は、試料棒の一部に赤外線を照射して加熱溶解させ、これを種子結晶などの上に固化させることにより棒状の単結晶を育成するものである。
Hereinafter, embodiments (examples) of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
The infrared concentrated heating type floating zone melting apparatus of the present invention grows a rod-like single crystal by irradiating a part of a sample rod with infrared rays to heat and dissolve it and solidifying it on a seed crystal or the like. is there.

また、本明細書中で「種子結晶」とは、浮遊帯域溶融装置を使用して大口径の単結晶を育成するに当たり、結晶の最初の形態を指すものであり、「育成結晶」とは、育成中の単結晶を指すものである。   Further, in the present specification, the “seed crystal” refers to the first form of the crystal when growing a large-diameter single crystal using a floating zone melting apparatus. It refers to a single crystal that is being grown.

図1に示したように、本発明の浮遊帯域溶融装置10は、透明石英管から成る試料室12内の上方に、対象物質の原料粉末を成形した丸棒状の試料棒14を配置させるとともに、この試料棒14の下方に対象物質の種子結晶16を配置し、この状態で試料室12内に雰囲気ガス18を流入させ、半導体レーザモジュール30から赤外線20を照射して、この照射された赤外線20を試料棒14に集光させて試料棒14を加熱溶融することで融液を得て、この融液を種子結晶16上に固化させて単結晶を育成するように構成されたものである。   As shown in FIG. 1, the floating zone melting apparatus 10 of the present invention has a round bar-shaped sample bar 14 formed by molding a raw material powder of a target substance above a sample chamber 12 made of a transparent quartz tube, A seed crystal 16 of the target substance is arranged below the sample rod 14, and in this state, an atmospheric gas 18 is caused to flow into the sample chamber 12, and infrared rays 20 are irradiated from the semiconductor laser module 30. The sample rod 14 is condensed and the sample rod 14 is heated and melted to obtain a melt, and the melt is solidified on the seed crystal 16 to grow a single crystal.

本発明の浮遊帯域溶融装置10で用いられる半導体レーザモジュール30は、半導体レーザ素子32に電流を流すことで赤外線20のレーザ光を外部に出力するものである。
半導体レーザモジュール30は、半導体レーザ素子32と、この半導体レーザ素子32の下面に導電板34を介して導通可能に接合された電極体36と、半導体レーザ素子32の上面に同じく導電板38を介して導通可能に接合された電極体40とを備え、さらに電極体36と電極体40との間には、絶縁板42が挿入されてなるものである。
The semiconductor laser module 30 used in the floating zone melting apparatus 10 of the present invention outputs an infrared laser beam to the outside by passing a current through the semiconductor laser element 32.
The semiconductor laser module 30 includes a semiconductor laser element 32, an electrode body 36 joined to the lower surface of the semiconductor laser element 32 via a conductive plate 34, and a conductive plate 38 on the upper surface of the semiconductor laser element 32. The electrode body 40 is joined so as to be conductive, and an insulating plate 42 is inserted between the electrode body 36 and the electrode body 40.

また半導体レーザ素子32は、一般的にはガリウム,ヒ素,リン,インジウムなどの素材を規定された割合に混合し、これをガリウムヒ素の基板上に気相合成法で製膜した単結晶からなる。このような方法で得られた半導体レーザ素子32は、機械的強度は高いものの、強い劈開性があり、割れ易い特性を有する。この劈開性を利用し、特定の方位に劈開することによって得られる面が光学面としてレーザ光の共振器の役割をなしている。   The semiconductor laser device 32 is generally made of a single crystal in which materials such as gallium, arsenic, phosphorus, and indium are mixed at a specified ratio and formed on a gallium arsenide substrate by a vapor phase synthesis method. . Although the semiconductor laser device 32 obtained by such a method has high mechanical strength, it has a strong cleaving property and is easily cracked. A surface obtained by cleaving in a specific direction by utilizing this cleavage property serves as a laser beam resonator as an optical surface.

そしてこのような半導体レーザモジュール30の半導体レーザ素子32の側方には、半導体レーザモジュール30の半導体レーザ素子32から照射された赤外線20のレーザ光を、所望のサイズの平行光にするシリンドリカルレンズ群50が設けられている。   A cylindrical lens group that converts the laser light of the infrared rays 20 emitted from the semiconductor laser element 32 of the semiconductor laser module 30 into parallel light of a desired size is provided on the side of the semiconductor laser element 32 of the semiconductor laser module 30. 50 is provided.

本実施形態では、シリンドリカルレンズ群50は、赤外線のレーザ光を縦軸方向および横軸方向の平行光にする縦軸シリンドリカルレンズ52および横軸シリンドリカルレンズ54と、縦軸シリンドリカルレンズ52および横軸シリンドリカルレンズ54で縦軸方向および横軸方向に平行にされた光を大径化する拡張シリンドリカルレンズ56と、拡張シリンドリカルレンズ56で拡張された光を再度平行光にする平行変更用シリンドリカルレンズ58とを有している。   In the present embodiment, the cylindrical lens group 50 includes a vertical axis cylindrical lens 52 and a horizontal axis cylindrical lens 54 that convert infrared laser light into parallel light in the vertical axis direction and the horizontal axis direction, and a vertical axis cylindrical lens 52 and a horizontal axis cylindrical lens. An extended cylindrical lens 56 that enlarges the diameter of light that has been made parallel to the vertical and horizontal axes by the lens 54, and a parallel-changing cylindrical lens 58 that makes the light extended by the extended cylindrical lens 56 parallel light again. Have.

ここで、半導体レーザ素子32から照射された赤外線20のレーザ光は、出射して直ぐに拡散する特性を有するため、縦軸シリンドリカルレンズ52および横軸シリンドリカルレンズ54を配置し、レーザ光を縦方向および横方向のいずれにおいても平行に変換している。   Here, since the laser beam of the infrared ray 20 irradiated from the semiconductor laser element 32 has a characteristic of diffusing immediately after being emitted, the vertical axis cylindrical lens 52 and the horizontal axis cylindrical lens 54 are arranged, and the laser beam is transmitted in the vertical direction and It is converted to parallel in any of the horizontal directions.

この変換された光は、縦方向が1mm程度、横方向が半導体レーザ素子32の横方向と同程度のサイズで10mm程度である。このため、さらに拡張シリンドリカルレンズ56によってビームサイズを大型化し、平行変更用シリンドリカルレンズ58にて再び大口径の平行光に変換している。   The converted light has a size of about 1 mm in the vertical direction and a size of about 10 mm in the horizontal direction that is about the same as the horizontal direction of the semiconductor laser element 32. For this reason, the beam size is further increased by the extended cylindrical lens 56 and converted into parallel light having a large aperture again by the parallel changing cylindrical lens 58.

そしてこのシリンドリカルレンズ群50の側方には、この拡張された平行光を集光する集光レンズ62が設けられている。
平行変更用シリンドリカルレンズ58にて大口径にされた平行光は、集光レンズ62にて集光され、この集光された赤外線20が、試料室12内の試料棒14に照射されるようになっている。
A condensing lens 62 that condenses the expanded parallel light is provided on the side of the cylindrical lens group 50.
The parallel light having a large diameter by the parallel-changing cylindrical lens 58 is collected by the condenser lens 62 so that the collected infrared ray 20 is irradiated on the sample rod 14 in the sample chamber 12. It has become.

なお、これら半導体レーザモジュール30、シリンドリカルレンズ群50、集光レンズ62は、照射源室60内に配設されている。
集光レンズ62は、図2に示したように、可変調整部70を介して試料棒14に対する相対位置を可変調整できるよう構成され、これにより赤外線20の集光域のサイズを、単結晶の育成具合に応じて変化させることができるようになっている。
The semiconductor laser module 30, the cylindrical lens group 50, and the condenser lens 62 are disposed in the irradiation source chamber 60.
As shown in FIG. 2, the condensing lens 62 is configured so that the relative position with respect to the sample rod 14 can be variably adjusted via the variable adjustment unit 70, thereby reducing the size of the condensing area of the infrared ray 20 to that of a single crystal. It can be changed according to the growth condition.

すなわち、集光域のサイズを小さくする場合には、集光レンズ62の位置を試料棒14から離して焦点位置と試料棒14の位置を同一レベルに調整し、逆に集光域のサイズを大きくする場合には、図3に示したように集光レンズ62を試料棒14に近づけて所望のサイズに制御する。   That is, in order to reduce the size of the condensing area, the position of the condensing lens 62 is moved away from the sample bar 14 and the focal position and the position of the sample bar 14 are adjusted to the same level. In the case of increasing the size, as shown in FIG. 3, the condenser lens 62 is brought close to the sample rod 14 and controlled to a desired size.

このような可変調整部70は、例えば照射源室60の底部にスライダ部材72を設けておき、このスライダ部材72上を集光レンズ62が左右方向に移動するよう構成すれば良いが、特に構造が限定されるものではなく、例えばタイヤを設けて移動可能とするなど、無段階調整にて試料棒14と集光レンズ62との距離を調整可能とする構造であれば、如何なる構造でも構わないものである。   Such a variable adjustment unit 70 may be configured, for example, by providing a slider member 72 at the bottom of the irradiation source chamber 60 so that the condenser lens 62 moves in the left-right direction on the slider member 72. However, any structure may be used as long as the distance between the sample rod 14 and the condenser lens 62 can be adjusted by stepless adjustment, for example, by providing a tire so as to be movable. Is.

さらに可変調整部70は、集光レンズ62の角度調整もできるよう角度調整機能を有していることが好ましく、このように角度調整を行うことにより、赤外線20の照射角度を、水平方向から斜め上方からの傾斜位置に最適に制御することができる。   Furthermore, it is preferable that the variable adjustment unit 70 has an angle adjustment function so that the angle of the condenser lens 62 can be adjusted, and by performing the angle adjustment in this way, the irradiation angle of the infrared rays 20 is inclined from the horizontal direction. It is possible to optimally control the tilt position from above.

ここで可変調整部70は、単結晶の育成速度に応じて照射位置や照射角度を調整する自動調整機能を有することが好ましく、このように自動調整機能を有していれば、単結晶の育成速度に応じて集光レンズ62を試料棒14に対して相対的に移動させ、さらに角度調整機能により、最適な高さから最適な角度で赤外線20を照射することで、連続的に単結晶の大口径化を進めることができる。   Here, it is preferable that the variable adjustment unit 70 has an automatic adjustment function of adjusting the irradiation position and the irradiation angle in accordance with the growth rate of the single crystal. By moving the condensing lens 62 relative to the sample rod 14 according to the speed and further irradiating the infrared rays 20 from the optimum height to the optimum angle by the angle adjustment function, the single crystal is continuously formed. The diameter can be increased.

このように、本発明の浮遊帯域溶融装置10は、赤外線20の照射源として、半導体レーザモジュール30を用い、ここから照射された赤外線20のレーザ光を、シリンドリカルレンズ群50で所望のサイズの平行光にした後、集光レンズ62で集光して試料棒14に照射する構造であり、単結晶の育成速度に応じて集光レンズ62を可変移動させることで、赤外線20の集光域を可変調整することができるものである。   As described above, the floating zone melting apparatus 10 according to the present invention uses the semiconductor laser module 30 as the irradiation source of the infrared rays 20, and the laser beam of the infrared rays 20 emitted from the semiconductor laser module 30 is collimated in a desired size by the cylindrical lens group 50. After the light is condensed, the light is condensed by the condensing lens 62 and irradiated to the sample rod 14, and the condensing area of the infrared ray 20 is made variable by moving the condensing lens 62 according to the growth rate of the single crystal. It can be variably adjusted.

このため、効率的に大口径の単結晶を安定して確実に育成することができる。さらに、この浮遊帯域溶融装置10は、従来のような赤外線ランプ106や楕円鏡104を用いておらず、集光レンズ62を所定範囲移動できるようにしたものであるため、大口径の単結晶を育成する際にも、浮遊帯域溶融装置10を必要以上に大型化する必要がなく、また製造コストも抑制することができる。   For this reason, a large-diameter single crystal can be efficiently and stably grown. Further, the floating zone melting apparatus 10 does not use the conventional infrared lamp 106 or the elliptical mirror 104, but allows the condenser lens 62 to move within a predetermined range. Also when growing, it is not necessary to enlarge the floating zone melting apparatus 10 more than necessary, and the manufacturing cost can be suppressed.

以上、本発明の浮遊帯域溶融装置10の実施形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、例えばシリンドリカルレンズ群50において、適宜、枚数やレンズの組み合わせを変えることができるなど、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能なものである。   The embodiment of the floating zone melting apparatus 10 of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described form. For example, in the cylindrical lens group 50, the number of lenses and the combination of lenses can be changed as appropriate. Various modifications can be made without departing from the object of the present invention.

10・・・浮遊帯域溶融装置
12・・・試料室
14・・・試料棒
16・・・種子結晶
18・・・雰囲気ガス
20・・・赤外線
30・・・半導体レーザモジュール
32・・・半導体レーザ素子
34・・・導電板
36・・・電極体
38・・・導電板
40・・・電極体
42・・・絶縁板
50・・・シリンドリカルレンズ群
52・・・縦軸シリンドリカルレンズ
54・・・横軸シリンドリカルレンズ
56・・・拡張シリンドリカルレンズ
58・・・平行変更用シリンドリカルレンズ
60・・・照射源室
62・・・集光レンズ
70・・・可変調整部
72・・・スライダ部材
100・・・浮遊帯域溶融装置
102・・・赤外線
104・・・楕円鏡
106・・・赤外線ランプ
110・・・試料棒
112・・・種子結晶
114・・・育成結晶
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Floating zone melting apparatus 12 ... Sample chamber 14 ... Sample rod 16 ... Seed crystal 18 ... Atmospheric gas 20 ... Infrared 30 ... Semiconductor laser module 32 ... Semiconductor laser Element 34 ... Conductive plate 36 ... Electrode body 38 ... Conductive plate 40 ... Electrode body 42 ... Insulating plate 50 ... Cylindrical lens group 52 ... Vertical axis cylindrical lens 54 ... Horizontal axis cylindrical lens 56... Expanded cylindrical lens 58... Cylindrical lens for parallel change 60... Irradiation source chamber 62... Condensing lens 70.・ Floating zone melting apparatus 102... Infrared 104... Elliptic mirror 106. Infrared lamp 110. Sample rod 112. Seed crystal 114.

Claims (3)

赤外線を試料棒に照射して加熱溶融することで融液を得て、前記融液を種子結晶上に固化させて単結晶を育成する赤外線集中加熱式の浮遊帯域溶融装置であって、
前記浮遊帯域溶融装置は、
前記赤外線のレーザ光を照射する半導体レーザモジュールと、
前記半導体レーザモジュールから照射された赤外線のレーザ光を所望のサイズの平行光にし、さらに前記平行光を集光させて前記試料棒に照射する集光系と、
を少なくとも備え、
前記集光系が、
複数のシリンドリカルレンズからなるシリンドリカルレンズ群と、
前記シリンドリカルレンズ群と前記試料棒との間に位置する集光レンズと、
を有し、
前記集光レンズは、可変調整部を介して前記試料に対する相対位置を可変調整できるよう構成されていることを特徴とする浮遊帯域溶融装置。
Infrared concentration heating type floating zone melting apparatus for irradiating a sample rod with infrared rays to obtain a melt by heating and melting, and solidifying the melt on a seed crystal to grow a single crystal,
The floating zone melting device is:
A semiconductor laser module for irradiating the infrared laser beam;
A condensing system for converting the infrared laser light emitted from the semiconductor laser module into parallel light of a desired size, further condensing the parallel light and irradiating the sample rod;
Comprising at least
The condensing system is
A cylindrical lens group composed of a plurality of cylindrical lenses;
A condenser lens positioned between the cylindrical lens group and the sample rod;
Have
The condensing lens is configured to variably adjust a relative position with respect to the sample via a variable adjustment unit.
前記可変調整部は、前記単結晶の育成速度に応じて位置および/または角度を調整する自動調整機能を有することを特徴とする請求項1に記載の浮遊帯域溶融装置。   2. The floating zone melting apparatus according to claim 1, wherein the variable adjustment unit has an automatic adjustment function of adjusting a position and / or an angle according to a growth rate of the single crystal. 前記シリンドリカルレンズ群が、
前記赤外線のレーザ光を縦軸方向および横軸方向の平行光にする縦軸シリンドリカルレンズおよび横軸シリンドリカルレンズと、
前記縦軸シリンドリカルレンズおよび横軸シリンドリカルレンズで縦軸方向および横軸方向に平行にされた光を大径化する拡張シリンドリカルレンズと、
前記拡張シリンドリカルレンズで拡張された光を再度平行光にする平行変更用シリンドリカルレンズと、
を有することを特徴とする請求項1または2に記載の浮遊帯域溶融装置。
The cylindrical lens group is
A vertical cylindrical lens and a horizontal cylindrical lens that convert the infrared laser beam into parallel light in the vertical and horizontal directions;
An expanded cylindrical lens that enlarges the diameter of light that is parallel to the vertical axis direction and the horizontal axis direction by the vertical axis cylindrical lens and the horizontal axis cylindrical lens;
A parallel-changing cylindrical lens that converts the light expanded by the extended cylindrical lens into parallel light again;
The floating zone melting apparatus according to claim 1 or 2, characterized by comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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