JP2018035011A - 単結晶の製造方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転引上げ法にて単結晶を製造するに当たり、単結晶原料が完全に融解した時点を正確に判定する。【解決手段】ルツボ１に収容された単結晶原料Ｑを完全に融解して原料融液１０とする原料融液作製工程と、原料融液作製工程を経た後、ルツボ１内の原料融液１０に浸漬した種結晶を回転しながら引き上げて単結晶Ｚを育成する育成工程と、を備え、原料融液作製工程は、ルツボ１を加熱して単結晶原料Ｑを融解する原料融解工程Ａと、原料融解工程Ａにて単結晶原料Ｑを融解する過程で原料融液１０の表面若しくは表面付近からの輻射光強度ＦＰを測定する測定工程Ｂと、測定工程Ｂにて測定された輻射光強度ＦＰが極大Ｍになる時点ｔｍを単結晶原料Ｑが完全に融解した時点として判定する判定工程Ｃと、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波素子や振動子に使用されるニオブ酸リチウム 、ニオブ酸タンタル等の単結晶を回転引上げ法により製造する単結晶の製造方法に係り、特に、単結晶原料が完全に融解したことを正確に把握することが可能な単結晶の製造方法及びその装置に関する。

従来、ニオブ酸リチウム 、ニオブ酸タンタル等の高融点酸化物単結晶材料の大型結晶は、通常、回転引上げ（ＣＺ）法により製造されている。この回転引上げ法は、高融点の白金やイリジウム製のルツボに原料を入れ、高周波加熱によって、融点以上まで温度を上げて原料を完全融解し、その後、適切な温度に保ち、原料融液上部から種結晶を回転させながら原料融液に種付けし、続いて回転引上げして単結晶を育成する方法である。

この際、温度上昇させ過ぎずに単結晶原料を完全融解させること、および、その後すみやかに所定の温度に制御することが、製造時間の短縮になるので、完全融解を正確に把握することが重要である。
特許文献１では、この点に鑑み、ルツボ底に設置した熱電対温度計の時間微分を測定することで、この課題に一つの解決を提示している。それによれば、熱電対温度の時間微分値から、融解開始温度と終了すなわち完全融解を検知し、この情報を基に加熱パワーを適切に制御することで、種付けまでの時間を短縮できることが示されている。
一方、特許文献２では、シリコン単結晶引上げにおいて、多結晶原料が融液中にある場合の測定温度のバラツキと、原料が完全に溶け終わりシリコン融液の温度がある程度安定した時の検出温度のバラツキの違いを検出することにより、多結晶シリコン原料が溶け終わったことを検出する方法が開示されている。これは、多結晶シリコンが周囲の高温部からの輻射を反射することを利用している。

特許第３８３２５２７号（発明の実施の形態，図１） 国際公開ＷＯ２００２−０１０４８６号（発明を実施するための最良の形態，図１）

特許文献１における原料融液の融解終了判定は、温度の時間に対する二階微分値が負から正になること、あるいは、同条件かつその温度変化速度が０．１℃/ｍｉｎ以上になる点で与えられている。しかし、この温度二階微分値は、当然のことであるが、炉の大きさや構造、あるいは原料の重量によって異なることになる。すなわち、引上げ条件毎にその値を事前に調べる実験を行うことが必要であり、測定したとしても、経時変化のありえることは否めない。一方、熱電対はルツボの外側になるので、原料の完全融解が伝わるには若干の時間遅れが原理的に発生する。従って、実際上は、ルツボ底温度の変化やカメラで見た画像を基にして、作業者が完全融解点を判断せざるを得ないのが現状である。
また、特許文献２あっては、多結晶シリコンに代えて本発明が主に対象とする酸化物単結晶を用いて測定してみると、特許文献２に示すような検出温度のバラツキの顕著な変化は観測されない。これは、酸化物単結晶が多結晶シリコンとは形態や光学特性が異なるためと推測される。

本発明が解決しようとする技術的課題は、回転引上げ法にて単結晶を製造するに当たり、単結晶原料が完全に融解した時点を正確に判定することにある。

発明者らは、引上げ機構にてルツボに単結晶原料を入れて、一定電力で加熱しながら、（１）ルツボ底の温度測定、（２）原料融液の表面状態を撮像素子で撮影して原料融液の流れを観察すること、（３）原料融液の表面からの輻射光を分光測定することを含む実験を、繰り返し行った。その結果、（２）の情報から完全融解であろうと推定される時点で、いずれの実験でも（３）の測定値が大きく変化することを見出し、本発明を案出するに至った。

本発明の第１の技術的特徴は、原料融液を収容するルツボと、前記ルツボを加熱する加熱手段とを用い、回転引き上げ法にて単結晶を製造するに際し、前記ルツボに収容された単結晶原料を完全に融解して原料融液とする原料融液作製工程と、前記原料融液作製工程を経た後、前記ルツボ内の原料融液に浸漬した種結晶を回転しながら引き上げて単結晶を育成する育成工程と、を備え、前記原料融液作製工程は、前記ルツボを加熱して前記単結晶原料を融解する原料融解工程と、前記原料融解工程にて単結晶原料を融解する過程で前記原料融液の表面若しくは表面付近からの輻射光強度を測定する測定工程と、前記測定工程にて測定された前記輻射光強度が極大になる時点を前記単結晶原料が完全に融解した時点として判定する判定工程と、を含むことを特徴とする単結晶の製造方法である。

本発明の第２の技術的特徴は、第１の技術的特徴を備えた単結晶の製造方法において、前記原料融液作製工程は、前記判定工程にて前記単結晶原料が完全に融解した時点と判定されたとき、前記原料融解工程のルツボの加熱条件を前記単結晶原料が完全に融解する前の加熱条件から変化させ、完全に融解した原料融液を予め決められた目標温度に保持する加熱制御工程を備えることを特徴とする単結晶の製造方法である。
本発明の第３の技術的特徴は、第１の技術的特徴を備えた単結晶の製造方法において、前記判定工程は、前記単結晶原料が融解する過程において、前記単結晶原料が完全に融解する可能性のある前記輻射光強度の下限値を予め決められた閾値とし、当該閾値以上の温度域において前記単結晶原料が完全に融解した時点の判定処理を実施することを特徴とする単結晶の製造方法である。

本発明の第４の技術的特徴は、原料融液が収容されるルツボと、前記ルツボを加熱する加熱手段と、前記ルツボ内の原料融液に浸漬した種結晶を引き上げて単結晶を育成する引上げ機構と、前記ルツボの温度を測定する第１の測定器と、前記単結晶原料が融解する過程において原料融液の表面若しくは表面付近からの輻射光強度を測定する第２の測定器と、前記第１及び第２の測定器の測定信号に基づいて前記加熱手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記ルツボに収容された単結晶原料を完全に融解して原料融液とする原料融液作製制御部を有し、前記原料融液作製制御部は、前記加熱手段の出力を予め決められたレベルに設定することで前記ルツボを加熱して前記単結晶原料の融解を開始する第１の加熱制御部と、前記第２の測定器による測定動作を継続的に実施し、前記第２の測定器による測定結果が極大になったときに前記単結晶原料が完全に融解したと判定する判定部と、前記判定部により前記単結晶原料が完全に融解して原料融液に至ったと判定されたときに前記加熱手段の出力を前記単結晶原料が完全に融解する前の出力よりも低く設定し、前記第１の測定器による測定結果に基づいて前記原料融液を予め決められた目標温度に保持する第２の加熱制御部と、を有することを特徴とする単結晶の製造装置である。

本発明の第５の技術的特徴は、第４の技術的特徴を備えた単結晶の製造装置において、前記第２の測定器は、可視域に感度を有する光学センサであることを特徴とする単結晶の製造装置である。
本発明の第６の技術的特徴は、第４の技術的特徴を備えた単結晶の製造装置において、前記第２の測定器は、可視域に感度を有する分光光度計であって、前記輻射光強度を測定するときに前記可視域の予め決められた波長域範囲の積分値を使用することを特徴とする単結晶の製造装置である。
本発明の第７の技術的特徴は、第４の技術的特徴を備えた単結晶の製造装置において、前記第２の測定器は、可視域に感度を有する分光光度計であって、前記輻射光強度を測定するときに前記可視域内で選定された少なくとも２波長に依存する測定値に基づく演算値を使用することを特徴とする単結晶の製造装置である。
本発明の第８の技術的特徴は、第４の技術的特徴を備えた単結晶の製造装置において、前記第２の測定器は４００ｎｍ乃至８００ｎｍの波長帯域を利用することを特徴とする単結晶の製造装置である。
本発明の第９の技術的特徴は、第５の技術的特徴を備えた単結晶の製造装置において、前記原料融液作製制御部は、前記第２の測定器による前記輻射光強度が予め決められた許容範囲を超えるときに、前記輻射光強度を前記許容範囲内に収めるように前記第２の測定器である光学センサの感度を補正することを特徴とする単結晶の製造装置である。
本発明の第１０の技術的特徴は、第６又は７の技術的特徴を備えた単結晶の製造装置において、前記原料融液作製制御部は、前記第２の測定器による前記輻射光強度が予め決められた許容範囲を超えるときに、前記輻射光強度を前記許容範囲内に収めるように前記第２の測定器である分光光度計の露光時間を補正することを特徴とする単結晶の製造装置である。

本発明の第１の技術的特徴によれば、回転引上げ法にて単結晶を製造するに当たり、単結晶原料が完全に融解した時点を正確に判定することができる。
本発明の第２の技術的特徴によれば、回転引上げ法にて単結晶を製造するに当たり、単結晶原料が完全に融解した時点で、完全融解した原料融液に適合する加熱条件を迅速に選択することができる。
本発明の第３の技術的特徴によれば、本構成を有さない態様に比べて、単結晶原料の完全融解に対する判定精度を向上させることができる。
本発明の第４の技術的特徴によれば、回転引上げ法にて単結晶を製造するに当たり、単結晶原料が完全に融解した時点を正確に判定することが可能な単結晶の製造方法を装置として具現化することができる。
本発明の第５の技術的特徴によれば、第２の測定器による輻射光強度を安価に捕捉することができる。
本発明の第６の技術的特徴によれば、第２の測定器による輻射光強度を予め決められた波長域範囲の積分値を用いて正確に捕捉することができる。
本発明の第７の技術的特徴によれば、第２の測定器による輻射光強度を少なくとも２波長に依存する測定値を用いて正確に捕捉することができる。
本発明の第８の技術的特徴によれば、第２の測定器による輻射光強度の測定にあたり、周囲からの輻射が相対的に少ない可視光を用い、原料融液からの輻射光強度を正確に捕捉することができる。
本発明の第９の技術的特徴によれば、第２の測定器による測定経路の一部が汚れたとしても、第２の測定器としての光学センサの感度を補正することで、第２の測定器による輻射光強度の測定精度を良好に保つことができる。
本発明の第１０の技術的特徴によれば、第２の測定器による測定経路の一部が汚れたとしても、第２の測定器としての分光光度計の露光時間を補正することで、第２の測定器による輻射光強度の測定精度を良好に保つことができる。

（ａ）は本発明に係る単結晶の製造方法の実施の形態の概要を示す説明図、（ｂ）は（ａ）中の原料融液作製工程の概要を示す説明図である。 本発明に係る単結晶の製造装置の実施の形態の概要を示す説明図である。 実施の形態１に係る単結晶の製造装置の全体構成を示す説明図である。 実施の形態１に係る単結晶の製造装置による単結晶の製造処理過程の一例を示すフローチャートである。 （ａ）は実施の形態１に係る単結晶の製造装置における原料融液の完全融解判定例を示す説明図、（ｂ）は同製造装置における分光器の感度補正例を示す説明図である。 （ａ）は実施の形態１に係る単結晶の製造装置の変形の形態を示す要部説明図、（ｂ）は（ａ）に示す変形の形態に係る単結晶の製造装置における光学センサの感度補正例を示すフローチャートである。 実施例１に係る単結晶の製造装置における原料融液作製工程の原料融液の状態変化を示す説明図である。 実施例１に係る単結晶の製造装置における分光器で取得されたスペクトラムの一例を示す説明図である。 実施例２に係る単結晶の製造装置における原料融液作製工程の原料融液の状態変化を示す説明図である。 実施例３に係る単結晶の製造装置における原料融液作製工程の原料融液の状態変化を示す説明図である。

◎実施の形態の概要
図１（ａ）は本発明に係る単結晶の製造方法の実施の形態の概要を示す説明図、（ｂ）は同単結晶の製造方法における原料融液作製工程の一例を示す説明図である。
単結晶の製造方法は、図１（ａ）に示すように、原料融液１０を収容するルツボ１と、ルツボ１を加熱する加熱手段２とを用い、回転引き上げ法にて単結晶Ｚを製造するに際し、ルツボ１に収容された単結晶原料Ｑを完全に融解して原料融液１０とする原料融液作製工程と、原料融液作製工程を経た後、ルツボ１内の原料融液１０に浸漬した種結晶を回転しながら引き上げて単結晶Ｚを育成する育成工程と、を備えたものである。
そして、本例では、原料融液作製工程は、図１（ｂ）に示すように、ルツボ１を加熱して単結晶原料Ｑを融解する原料融解工程Ａと、原料融解工程Ａにて単結晶原料Ｑを融解する過程で原料融液１０の表面若しくは表面付近からの輻射光強度ＦＰを測定する測定工程Ｂと、測定工程Ｂにて測定された輻射光強度ＦＰが極大Ｍになる時点ｔｍを単結晶原料Ｑが完全に融解した時点として判定する判定工程Ｃと、を含むものである。

このような技術的手段において、本実施の形態の製造対象としては例えばＬＴ（タンタル酸リチウム）単結晶が挙げられるが、これに限定されるものではなく、ＬＴ以外のガーネット等の単結晶をも広く含む。
また、本例は、単結晶の製造方法として単結晶Ｚの育成工程の前に実施される原料融液作製工程に着目し、単結晶原料Ｑが融解する過程を解析し、単結晶原料Ｑが完全に融解した時点を正確に判定することが可能であることを見出したものである。
本例において、単結晶原料Ｑの融解過程を解析すると、単結晶原料Ｑはルツボ１を加熱すると、次第に融解していくが、完全融解に達するまでには、原料粉状態（固定状態）、固液共存状態、融液状態の三段階を経る。

ここで、単結晶原料ＱとしてＬＴを例に挙げると、原料融解する前では、原料は粉末状であるため光を通さず、原料が満たされていないルツボ１側面上部の発光のみが輻射光強度に現れ、原料表面からの発光もない。
次いで、固液共存状態では、ルツボ１周辺の耐火物の構成や加熱手段２（例えば高周波加熱コイル）の設定により、原料粉はルツボ１の上部から融解する場合と、ルツボ１の下部から融解する場合とに分けられるが、前者では、ルツボ１上部の原料粉が蓋となり、ルツボ１側面下部とルツボ１底部の発光を遮るため、ルツボ１側面上部の発光のみが輻射光強度として現れる。後者では、ルツボ１底に残った原料粉がルツボ１底の発光を遮るため、ルツボ１側面上部とルツボ１側面下部の発光が輻射光強度として現れる。
また、ルツボ１内の単結晶原料Ｑの融解状態を図示外のカメラにて観察したところ、完全融解前では、周辺から中心に向かう液流れ（自然対流）が見られるが、液流れに未融解の原料固体が混在しており、この固体は自然対流速度を弱める傾向にあると推測され、完全融解後は自然対流速度が急激に早まる傾向が見られる。
更に、加熱手段２にて加熱されるルツボ１の原料融液１０の表面に接する付近の温度は原料融液１０よりも高温になっている。原料融液１０表面と接するルツボ１部分の温度は、加熱手段２の出力（パワー）と、自然対流や輻射熱によって奪われる放熱とのバランスで成立している。完全融解前は、加熱手段２による加熱により一定の速度で温度上昇していくが、完全融解と同時に増大する自然対流によってそれまでよりも多くの熱が奪われることから、完全融解後に急激に温度が降下する。このため、図１（ｂ）に示すように、原料融液１０の表面又は表面付近からの輻射光強度ＦＰは一時的に減少し、完全に融解した時点ｔｍで極大Ｍになるものと推測される。
すなわち、単結晶原料Ｑの完全融解を判定するには、原料融液１０表面又は表面付近からの輻射光強度ＦＰの時間変化を測定することが有効であり、その測定値が極大値を持つ時点にて単結晶原料Ｑが完全融解状態に至ったものと推測可能であることが判明した。
このように、本例では、原料融液１０表面又は表面付近の輻射光強度ＦＰの変化から、単結晶原料Ｑの完全融解時点を推測することが可能であることを見出し、原料融液作製工程として、原料融解工程Ａ、測定工程Ｂ及び判定工程Ｃを含むようにしたのである。

次に、本実施の形態に係る単結晶の製造方法の代表的態様又は好ましい態様について説明する。
本実施の形態において、原料融液作製工程の代表的態様としては、図１（ｂ）に示すように、判定工程Ｃにて単結晶原料Ｑが完全に融解した時点ｔｍと判定されたとき、原料融解工程Ａのルツボ１の加熱条件を単結晶原料Ｑが完全に融解する前の加熱条件から変化させ、完全に融解した原料融液１０を予め決められた目標温度に保持する加熱制御工程Ｄを備える態様が挙げられる。本例は、判定工程Ｃにて単結晶原料Ｑが完全に融解した後、完全融解した原料融液１０に適した加熱条件を選定するようにしたものである。ここで、原料融液１０は、完全融解すると、対流が激しくなり、自然対流による放熱が増加することを踏まえ、加熱制御工程Ｄは、原料融液１０を予め決められた目標温度（完全融解前の加熱手段２の出力ＰＷよりも低い出力を選定）に保持するように加熱条件を制御する。尚、図１（ｂ）中、符号ｔｃは加熱手段２の出力ＰＷを低下する切替え時点を示すが、通常は判定工程Ｃにおける輻射光強度ＦＰが極大Ｍに至った時点ｔｍから予め決められた経過時間後の時点が用いられる。

また、原料融液作製工程の好ましい態様としては、図１（ｂ）に示すように、判定工程Ｃは、単結晶原料Ｑが融解する過程において、単結晶原料Ｑが完全に融解する可能性のある輻射光強度ＦＰの下限値を予め決められた閾値とし、当該閾値以上の温度域において単結晶原料Ｑが完全に融解した時点の判定処理を実施する態様が挙げられる。本例は、単結晶原料Ｑが完全に融解する可能性のある輻射光強度ＦＰが所定の温度域以上の傾向にある例では、当該温度域の下限値未満で単結晶原料Ｑが完全に融解することは起こらないことから、ノイズなどの影響で、輻射光強度ＦＰが所定の温度域未満で極大を示す状況に至ったとしても、それをノイズとして除去することが可能である。

更に、本実施の形態において、単結晶の製造装置は、図２に示すように、原料融液１０が収容されるルツボ１と、ルツボ１を加熱する加熱手段２と、ルツボ１内の原料融液１０に浸漬した種結晶を引き上げて単結晶Ｚ（図１（ａ）参照）を育成する引上げ機構３と、ルツボ１の温度を測定する第１の測定器４と、単結晶原料Ｑ（図１（ａ）参照）が融解する過程において原料融液１０の表面若しくは表面付近からの輻射光強度ＦＰを測定する第２の測定器５と、第１及び第２の測定器４，５の測定信号に基づいて加熱手段２を制御する制御手段６と、を備え、制御手段６は、ルツボ１に収容された単結晶原料Ｑを完全に融解して原料融液１０とする原料融液作製制御部７を有し、原料融液作製制御部７は、加熱手段２の出力を予め決められたレベルに設定することでルツボ１を加熱して単結晶原料Ｑの融解を開始する第１の加熱制御部７ａと、第２の測定器５による測定動作を継続的に実施し、第２の測定器５による測定結果が極大Ｍになったときに単結晶原料Ｑが完全に融解したと判定する判定部７ｂと、判定部７ｂにより単結晶原料Ｑが完全に融解して原料融液１０に至ったと判定されたときに加熱手段２の出力を単結晶原料Ｑが完全に融解する前の出力よりも低く設定し、第１の測定器４による測定結果に基づいて原料融液１０を予め決められた目標温度に保持する第２の加熱制御部７ｃと、を有するものである。

このような技術的手段において、ルツボ１は原料融液１０を収容可能であれば適宜選定して差し支えないが、高融点酸化物単結晶を製造するには白金やイリジウム等の貴金属製のルツボを使用することが好ましい。
また、加熱手段２の代表的態様としては、ルツボ１の周囲に設けられ、ルツボ１を高周波誘導加熱する加熱コイルが挙げられるが、ルツボ１全体を加熱可能であれば適宜選定して差し支えない。
更に、引上げ機構３としては原料融液１０から単結晶Ｚ（図１（ａ）参照）を回転しながら引き上げて育成するものであれば公知のものを広く含み、適宜選定して差し支えない。尚、引上げ機構３はルツボ１内に単結晶原料Ｑを搬入する際に通常用いられる。
更にまた、第１の測定器４はルツボ１の温度を測定できるものであれば熱電対など適宜選定して差し支えなく、例えばルツボ１の底部中央や側壁の一部の温度を測定し、ルツボ１内の単結晶原料Ｑに対する加熱条件を制御するために用いられる。
また、第２の測定器５はルツボ１内の単結晶原料Ｑが融解していく過程で原料融液１０の表面からの輻射光強度ＦＰを測定するものであれば、分光光度計、フォトダイオード等の光学センサを適宜選定して差し支えない。尚、原料融液１０の表面付近からも同様な輻射光が生じているので、測定ポイントとしては原料融液１０の表面付近でもよい。
また、制御手段６は、第１、第２の測定器４，５の測定信号に基づいて加熱手段２を制御するものであればよく、本例では、主として原料融液１０を作製するための制御部に着目したものである。ここで、原料融液作製制御部７は、第１の加熱制御部７ａ、判定部７ｂ、及び、第２の加熱制御部７ｃを有し、判定部７ｂによる原料融液１０の完全融解の判定を境に、第１の加熱制御部７ａと第２の加熱制御部７ｃとを切り替えるようにすればよい。

次に、本実施の形態に係る単結晶の製造装置の代表的態様又は好ましい態様について説明する。
第２の測定器５の代表的態様としては例えば以下のものが挙げられる。
（１）可視域に感度を有するフォトダイオード等の光学センサ。
（２）可視域に感度を有する分光光度計であって、輻射光強度ＦＰを測定するときに可視域の予め決められた波長域範囲の積分値を使用する態様。本例は、分光光度計の予め決められた波長域範囲の積分値を使用し、輻射光強度ＦＰの測定値としたものである。
（３）可視域に感度を有する分光光度計であって、輻射光強度ＦＰを測定するときに可視域内で選定された少なくとも２波長に依存する測定値に基づく演算値を使用する態様。本例は、分光光度計の少なくとも２波長に依存した測定値を使用し、例えば両者の傾きを輻射光強度ＦＰの測定値としたものである。
（４）４００ｎｍから８００ｎｍの波長帯域を利用する態様。本例は、周囲からの輻射が相対的に少ない可視光の波長帯域として、４００ｎｍから８００ｎｍを利用し、原料融液１０からの輻射光強度ＦＰを主として捕捉可能としたものである。

また、第２の測定器５としては例えば光学センサ、分光光度計が用いられるが、自動的に感度補正することが好ましい。
ここで、第２の測定器５として光学センサを用いる態様にあっては、原料融液作製制御部７は、第２の測定器５による輻射光強度ＦＰが予め決められた許容範囲を超えるときに、輻射光強度ＦＰを許容範囲内に収めるように第２の測定器５である光学センサの感度を補正するようにすればよい。本例は、例えば輻射光強度＝測定強度／感度の演算式につき、感度を補正することで輻射光強度ＦＰを求めるものである。
また、第２の測定器５として分光光度計を用いる態様にあっては、原料融液作製制御部７は、第２の測定器５による輻射光強度ＦＰが予め決められた許容範囲を超えるときに、輻射光強度ＦＰを許容範囲内に収めるように第２の測定器５である分光光度計の露光時間を補正するようにすればよい。本例では、例えば輻射光強度＝測定分光強度＊露光時間補正係数の演算式につき、露光時間補正係数を補正することで輻射光強度ＦＰを求めるものである。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて本発明をより詳細に説明する。
◎実施の形態１
−単結晶の製造装置の構成例−
図３は実施の形態１に係る単結晶の製造装置の全体構成を示す説明図である。
本実施の形態において、単結晶の製造装置２０は、ＬＴ（ＬｉＴａＯ_３）単結晶を製造対象とするものであって、図示外の単結晶原料を収容するインジウム等からなるルツボ２１と、ルツボ２１の外周及び上部を取り囲んで保温、断熱可能な製造炉とする保温・断熱材２３と、ルツボ２１の保温・断熱材２３の周囲を取り囲むように設置され、ルツボ２１を高周波誘導加熱する加熱手段としての加熱コイル２４と、この加熱コイル２４へ高周波電流を印加することで、ルツボ２１及び収容された単結晶原料を加熱し、単結晶原料を高温状態に保持して原料融液２２とする高周波電源２５と、昇降可能な引上げ軸２７を有し、引上げ軸２７の先端に保持された種結晶（図示せず）を原料融液２２の表面に接触させてから、引上げ軸２７を回転させながら徐々に引き上げて単結晶を成長させる引上げ機構２６と、を備えている。

本例において、ルツボ２１の底部中央にはルツボ２１の温度を測定するための第１の測定器３１が設けられ、また、ルツボ２１内に収容された単結晶原料を融解する過程において原料融液２２の表面又は表面付近からの輻射光強度を測定するための第２の測定器３２が設けられている。
本例では、第１の測定器３１としては例えば熱電対が用いられ、また、第２の測定器３２としては、分光光度計からなる分光器３３と、原料融液２２の表面又は表面付近からの輻射光を捕捉し、分光器３３に入力する光ファイバ３４とを含むものが用いられている。
本例において、ルツボ２１、保温・断熱材２３からなる製造炉及び加熱コイル２４は処理チャンバ２８内に設置されており、処理チャンバ２８の上部の一部には、ルツボ２１に収容された単結晶原料の融解状態を観察する観察窓（例えば石英窓）２９が設けられており、この観察窓２９の外側近傍に第２の測定器３２の光ファイバ３４の受光部が配置されると共に、単結晶原料の融解状態を撮像するカメラ３５が設置されている。

ここで、分光器３３としては、例えば光ファイバ３４にて入力された光を分光してＣＣＤアレイで測定する方式が採用されており、可視域あるいは赤外域に感度を有するものであれば適宜選定して差し支えないが、本例では、可視域に感度を有するものが採用されている。その理由は、可視域の波長帯域としては任意に選定してもよいが、周囲からの輻射が相対的に少ない波長帯域、例えば４００ｎｍから８００ｎｍの範囲を利用することが好ましい。
また、分光器３３による輻射光強度の測定データの代表的ケースとしては例えば以下のものが挙げられる。
イ．輻射光強度の測定データにつき予め決められた波長範囲（４００ｎｍから８００ｎｍ）での積分値を使用するケース
ロ．輻射光強度の測定データにつき予め決められた２波長（例えば５００ｎｍ，８００ｎｍ）に依存する数値から演算された傾き（比）を使用するケース
ハ．イのケースを主として用い、ロのケースを補助的に使用するケース

更に、本実施の形態では、高周波電源２５には例えばＰＬＣ（Programmable Logic Controller）からなる温度コントローラ４１が接続されており、この温度コントローラ４１には第１の測定器３１にて測定された信号が入力され、温度コントローラ４１は第１の測定器３１による測定信号に基づいて当該測定信号が予め決められた目標温度になるように高周波電源２５の出力を調整するものである。
また、引上げ機構２６には駆動コントローラ４５が接続されており、駆動コントローラ４５は引上げ機構２６の引上げ軸２７の昇降速度や回転速度を調整するものである。
更にまた、第２の測定器３２からの測定信号は制御装置５０に入力され、制御装置５０は単結晶の製造処理プログラム（図４参照）を実行して所定の制御信号を出力し、ＤＡ変換器５１を介して温度コントローラ４１、駆動コントローラ４５に送出する。

−単結晶の製造処理−
次に、本実施の形態に係る単結晶の製造装置では、図４に示すように、以下の手順で単結晶の製造処理が行われる。
本例では、単結晶の製造処理は、ルツボ２１内に図示外の単結晶原料を搬入し、ルツボ２１に収容された単結晶原料を完全に融解して原料融液とする原料融液作製処理と、原料融液作製処理を経た後に、ルツボ２１内の原料融液に浸漬した種結晶を回転しながら引き上げて単結晶を育成する育成処理と、を含むが、以下においては主として原料融液作製処理を中心に説明する。
（ａ）先ず、単結晶の製造処理を開始するに当たり、例えば引上げ機構２６の引上げ軸２７に固形状の単結晶原料（図示せず）を保持させ、これをルツボ２１に向けて降下させ、ルツボ２１内に単結晶原料を搬入する。
（ｂ）単結晶原料の搬入後、高周波電源２５をオンすることで加熱コイル２４に通電し、ルツボ２１の高周波誘導加熱を開始し、これと同時あるいは所定時間経過した後、第１、第２の測定器３１，３２による測定を開始する。
（ｃ）制御装置５０は、単結晶原料を完全に融解する上で十分な温度をルツボ２１の目標温度とし、温度コントローラ４１に初期設定する。このため、第１の測定器３１による測定が開始すると、温度コントローラ４１は、第１の測定器３１からの測定値が予め設定された目標温度を保つように、第１の測定器３１からの測定値に基づいて高周波電源２５の出力ＰＷを逐次調整する。
（ｄ）温度コントローラ４１による高周波電源２５の出力制御が行われると、ルツボ２１内の単結晶原料は次第に融解していき、これに伴って、ルツボ２１の温度（原料融液２２の温度に対応）も次第に上昇していく。
これに伴って、ルツボ２１の表面又は表面付近からは輻射光が発生し、第２の測定器３２の分光器３３は発生した輻射光強度ＦＰを捕捉する。このとき、制御装置５０は分光器３３による輻射光の分光スペクトルを測定し、指定波長における積分値や２波長における傾きを輻射光強度ＦＰとしてリアルタイムで表示部に表示し、輻射光強度ＦＰの時系列変化をモニタすることが可能である。この状態において、第２の測定器３２による輻射光強度ＦＰは単結晶原料が完全に融解するまでの間次第に上昇する傾向にある（図５（ａ）参照）。

（ｅ）本例では、単結晶原料が完全に融解する条件としては、単結晶原料が完全に融解する可能性のある下限値（単結晶原料の種類によって異なる）以上であることが確認されている。
そこで、本例では、前述した下限値を予め決められた閾値ＴＨ_１とし、この閾値ＴＨ_１以上の温度域において単結晶原料が完全に融解した時点の判定処理を実施する手法が採用されている。
つまり、制御装置５０は、第２の測定器３２による測定値が閾値ＴＨ_１に到達したか否かを判別し、閾値ＴＨ_１以上の温度域にて単結晶原料が完全に融解した時点に到達したか否かを判別する。尚、閾値ＴＨ_１未満の温度域では仮にノイズ等に起因して単結晶原料が完全に融解した時点の傾向が現れたとしても、前述した判定処理は行わない。
（ｆ）本例では、単結晶原料が完全に融解したとする判定原理は、図５（ａ）に示すように、単結晶原料が完全融解する前までは、原料融液２２の表面又は表面付近からの輻射光強度ＦＰが次第に上昇するが、完全融解後に至ると、原料融液２２内の自然対流速度が早くなり、その分、原料融液２２から多くの熱が奪われ、前述した輻射光強度ＦＰが減少傾向に変化することから、前述した輻射光強度ＦＰが原料融液２２の完全融解時点では極大Ｍになることが理解される。このため、図５（ａ）に示すように、輻射光強度ＦＰが時間経過において極大Ｍの時点ｔｍに到達すると、制御装置５０はこの時点ｔｍを単結晶原料の完全融解時点として判定する。
（ｇ）制御装置５０は、図５（ａ）に示すように、単結晶原料の完全融解時点を判定すると、その直後あるいは予め決められた所定時間経過した時点ｔｃ（ｔｃ＞ｔｍ）において、温度コントローラ４１の目標温度を下げ、高周波電源２５の出力ＰＷを低下方向に切り替える。このときの高周波電源２５の出力ＰＷレベルは完全融解した原料融液２２を育成処理で必要な温度に保温するものであれば適宜選定して差し支えない。
そして、温度コントローラ４１は、第１の測定器３１からの測定値が切替設定された目標温度を保つように、第１の測定器３１からの測定値に基づいて高周波電源２５の出力ＰＷを逐次調整する。

本実施の形態では、上記に示したように、単結晶原料の完全融解時点を作業者の判断によらずに自動的に判定することが可能となった。これにより、チョクラルスキー法による単結晶の製造処理において、単結晶の育成処理前の原料融液作製処理における温度制御のアルゴリズムに、単結晶の明確な完全融解判定条件をセットすることができるようになり、単結晶の育成処理開始までの時間短縮や、原料融液の完全融解状態に対する再現性向上の効果が見込まれる。

−分光器の感度補正例−
単結晶の製造処理は処理チャンバ２８内を高温環境に保って行われることが多く、長く使っていると、処理チャンバ２８の観察窓２９が汚れてしまう。これは、高温部の炉材（保温・断熱材２３）や単結晶原料の一部が高温で気化し、温度の低い観察窓２９に付着するためである。
量産で単結晶の製造装置２０を連続して使用する際には、観察窓２９の汚れによる輻射光強度ＦＰの減少を補正することが好ましい。
本例では、第２の測定器３２の分光器３３の特性に着目した。つまり、分光器３３は強い光が入ると測定値が飽和し、弱い光だとノイズに埋もれるという特性がある。そこで、これを避けるために、分光器３３のＣＣＤアレイに光を取り込む時間＝露光時間を変更する手法を採用した。
この手法は、図５（ｂ）の条件１に示すように、測定分光強度Ｘが測定可能な値Ｘ_０のｋ_１％（例えばｋ_１＝７０％）からｋ_２％の範囲（例えばｋ_２＝９０％）にあるときには、Ｉ式（ＦＰ＝Ａ＊Ｘ）にて輻射光強度ＦＰが算出される。
このとき、露光時間補正係数Ａ＝１／（露光時間ｔｓ＋定数α）で予め決められた分光器３３に固有の値が使用される。
これに対し、図５（ｂ）の条件２に示すように、測定分光強度Ｘがｋ_１・Ｘ_０未満に至るときには、Ｘがｋ_２・Ｘ_０になるように、Ａの露光時間ｔｓを補正すればよい。
一方、図５（ｂ）の条件３に示すように、測定分光強度Ｘがｋ_２・Ｘ_０を超えるときには、Ｘがｋ_１・Ｘ_０になるように、Ａの露光時間ｔｓを補正すればよい。

◎変形の形態１
本実施の形態では、第２の測定器３２は、分光器３３及び光ファイバ３４にて構成されているが、これに限られるものではなく、例えば図６（ａ）に示すように、フォトダイオード等の光学センサ６１及びこれの出力を増幅するアンプ６２を用いるようにしてもよい。
このとき、光学センサ６１としては可視域あるいは赤外域に感度を有するものであれば適宜選定して差し支えないが、本例では、周囲からの輻射が相対的に少ない可視域の波長帯域に感度を有するものが採用されている。
本例においても、光学センサ６１にて原料融液２２の表面又は表面付近からの輻射光を捕捉するため、制御装置５０によって輻射光強度ＦＰの時系列変化をモニタすることが可能である。

−光学センサの感度補正例−
量産で単結晶の製造装置２０を連続して使用する際には、第２の測定器３２として光学センサ６１を使用する場合であっても、観察窓２９の汚れによる輻射光強度ＦＰの減少を補正することが好ましい。
図６（ｂ）は光学センサ６１の感度補正例のフローチャートを示す。
本例には、光学センサ６１は、デジタルＩＯにて相対感度を例えば１倍、１０倍、１００倍の３段階に調整可能である。今、第２の測定器３２としての光学センサ６１による測定を開始するとき、通常処理チャンバ２８内の雰囲気温度が低いことから、光学センサ６１の相対感度を高感度（本例では１００倍）に初期設定する。この後、光学センサ６１の測定値が予め決められた許容範囲（例えば許容最大値の９５％）内か否かを判断し、許容範囲内であれば感度補正を不実施とし、許容範囲外に至れば感度補正を実施するようにすればよい。例えば処理チャンバ２８内の雰囲気温度が上昇してくると、光学センサ６１の測定値が次第に大きくなるので、光学センサ６１の測定値が許容範囲外に至ると、制御装置５０は、光学センサ６１の感度レベルを例えば１０倍に下げるという感度補正を実施する。

◎実施例１
本実施例は実施の形態１に係る単結晶の製造装置を用い、直径１５０ｍｍφ 、高さ１５０ｍｍ 、厚さ３ｍｍのイリジウム製ルツボ２１を使用し、約５ｋｇのＬＴ原料粉末をルツボ２１内に充填した。また、第２の測定器３２の分光器３３としては、オーシャンオプティクス（Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ）社製のＵＳＢ２００のように、ファイバ入力された光を分光してＣＣＤアレイで測定する方式を採用した。そして、例えば高周波電源２５による高周波加熱パワーを一定にして、ＬＴ原料の融解状態の温度変化を測定した結果、図７に示す結果が得られた。
図７において、横軸は経過時間、左側縦軸はルツボ底温度、右側縦軸は輻射スペクトルから演算された輻射光強度積分値（波長範囲４００〜８００ｎｍ）、同じく演算された５００ｎｍと８００ｎｍの２波長の輻射光強度比である。尚、図７中、温度１階微分（細線で示す）はルツボ底温度から演算で求めた温度変化速度を示す。
同図において、ルツボ２１底温度は、加熱とともに一定速度で上昇するが、ＬＴ原料の融解温度に近づくと、図中Ａ点で温度上昇カーブが緩やかになり、その後、Ｂ点で温度上昇速度が上昇している。ここで、Ｃ点以降で温度が一定になるのは、図のＣ点で高周波加熱パワーを下げているからである。また、カメラ３５で観察していると、Ｂ点付近で、原料融液の表面に固形物が見える状態から見えない状態に移行するので、図７のＢ点付近が完全融解時点ｔｍと考えられる。
一方、第二の測定器３２による測定結果に基づいて輻射光強度積分値あるいは輻射光強度比を演算してプロットしたところ、図７に示すように、いずれもＢ点付近の時点ｔｍで極大Ｍを示していることが理解される。尚、本例では、高周波加熱パワーは単結晶原料の完全融解時点ｔｍの直後の時点ｔｃにおいて低減するようにした。

また、図８は分光器３３による分光スペクトル例を示す。
同図において、横軸は分光スペクトルの波長を示し、縦軸は分光スペクトルの測定強度を示す。
同図において、実線で示す分光スペクトル線は、図７における輻射光強度が極大Ｍとなる時点ｔｍ（単結晶原料の完全融解時点に相当）の測定結果Ｔｍを示し、また、点線で示す分光スペクトル線は、図７における輻射光強度が極大Ｍとなる前の時点ｔｍ−Δｔの測定結果Ｔａを示し、更に、二点鎖線で示す分光スペクトル線は、図７における輻射光強度が極大Ｍとなる後の時点ｔｍ＋Δｔの測定結果Ｔｂを示す。
同図によれば、分光スペクトルは、可視域の例えば５００ｎｍから８００ｎｍの波長帯域において、完全融解時点ｔｍでスペクトル全体が極大値を示すことが理解される。尚、長波長や短波長で強度が低いのは、分光器３３の感度が低いことによるものである。
本例では、輻射光強度が極大Ｍを持つ時点ｔｍの直後に、高周波電源２５の温度制御を完全融解前から完全融解後に切り替えることができた。図７に示すグラフの温度変化からわかるように、本実施例では、輻射光強度が極大Ｍになる時点ｔｍを単結晶原料の完全融解時点として判定する方式であるため、従前の判定方式（例えば第１の測定器３１による温度変化から単結晶原料の完全融解時点を判定する方式）に比べて、あいまいさが低減された。具体的には、図７において、ルツボ底温度の１階微分が極大になるのは、完全融解から１分程度遅れており、１階微分値に基づいて完全融解を判定する場合にはある程度のあいまいさが生ずるのに比べて、本実施例では完全融解の直後１０秒程度以内で完全融解に至ったことを判定することができた。
また、本実施例では、図５（ｂ）に示すアルゴリズムによる分光器３３の感度補正を行い、分光スペクトルは、図８に示すように、７００ｎｍ付近の極大値が、測定強度９，０００〜１３，０００の範囲内に入るように、自動的に露光時間を変更するようにした。尚、これらの感度補正演算はいずれも制御装置５０で行い、その結果をＤＡ変換器５１にてＤＡ変換し、温度コントローラ４１による温度制御に反映させた。

◎実施例２
実施例１と同様な構成の単結晶の製造装置を用い、ルツボ位置を意図的にずらして実施例１と同様な測定を行った。
この場合の測定結果を図９に示す。
同図において、温度変化の挙動が、実施例１とは大きく異なっていることが分かる。
カメラ３５で観察していると、原料融液２２の表面に固形物が見える状態から見えない状態に移行するのは、図中一点鎖線で示す輻射光強度(例えば積分値)が極大Ｍになる時点ｔｍである。
このため、本実施例にあっても、実施例１と同様に、輻射光強度が極大Ｍを持つ時点をもって完全融解時点と判定することが可能である。但し、この例では意図的に高周波加熱パワーを変化させる時刻を輻射光強度の極大位置より少し遅らせて、輻射光強度ＦＰが極大Ｍになる現象が高周波加熱パワー変化の影響ではないことを示した。

◎実施例３
実施例１と略同様な単結晶の製造装置を用い、第２の測定器３２を変更した例を示す。
本例では、第２の測定器３２は、分光器３３を用いた方式に代えて、図６（ａ）の変形の形態に示すように、光学センサ６１としてフォトダイオードを使用した。具体的には、可視域の波長帯域にのみ感度を持ち、温度係数が小さく、感度が変更可能なＩＣタイプの照度センサ（Ｒｏｈｍ社製ＢＨ１６０３ＦＶＣ）を用いた。
実施例１と同様に、例えば高周波電源２５による高周波加熱パワーを一定にして、ＬＴ原料の融解状態の温度変化を測定した結果、図１０に示す結果が得られた。
同図によれば、実施例１と同様に、単結晶原料が完全融解した時点ｔｍにて、光学センサ６１による輻射光強度が極大Ｍになることが確認された。
更に、本例では、光学センサ６１はデジタルＩＯで感度変更可能であるので、図６（ｂ）に示すようなアルゴリズムによる光学センサ６１の感度補正を実施し、制御装置５０にて光学センサ６１の測定値が許容範囲内か否かを判別し、許容範囲外に至った場合には光学センサ６１の感度補正を行い、光学センサ６１による測定可能な輻射光強度の範囲を広く確保するようにした。

１ ルツボ
２ 加熱手段
３ 引上げ機構
４ 第１の測定器
５ 第２の測定器
６ 制御手段
７ 原料融液作製制御部
７ａ 第１の加熱制御部
７ｂ 判定部
７ｃ 第２の加熱制御部
１０ 原料融液
２０ 単結晶の製造装置
２１ ルツボ
２２ 原料融液
２３ 保温・断熱材
２４ 加熱コイル
２５ 高周波電源
２６ 引上げ機構
２７ 引上げ軸
２８ 処理チャンバ
２９ 観察窓
３１ 第１の測定器
３２ 第２の測定器
３３ 分光器
３４ 光ファイバ
３５ カメラ
４１ 温度コントローラ
４５ 駆動コントローラ
５０ 制御装置
５１ ＤＡ変換器
６１ 光学センサ
６２ アンプ
Ａ 原料融解工程
Ｂ 測定工程
Ｃ 判定工程
Ｄ 加熱制御工程
ＦＰ 輻射光強度
Ｍ 輻射光強度の極大
ＰＷ 加熱手段の出力
Ｑ 単結晶原料
Ｚ 単結晶
ｔｍ 輻射光強度が極大になる時点
ｔｃ 加熱手段の出力の切替時点

Claims (10)

1. 原料融液を収容するルツボと、前記ルツボを加熱する加熱手段とを用い、回転引き上げ法にて単結晶を製造するに際し、
   前記ルツボに収容された単結晶原料を完全に融解して原料融液とする原料融液作製工程と、
   前記原料融液作製工程を経た後、前記ルツボ内の原料融液に浸漬した種結晶を回転しながら引き上げて単結晶を育成する育成工程と、を備え、
   前記原料融液作製工程は、
   前記ルツボを加熱して前記単結晶原料を融解する原料融解工程と、
   前記原料融解工程にて単結晶原料を融解する過程で前記原料融液の表面若しくは表面付近からの輻射光強度を測定する測定工程と、
   前記測定工程にて測定された前記輻射光強度が極大になる時点を前記単結晶原料が完全に融解した時点として判定する判定工程と、を含むことを特徴とする単結晶の製造方法。
2. 請求項１に記載の単結晶の製造方法において、
   前記原料融液作製工程は、
   前記判定工程にて前記単結晶原料が完全に融解した時点と判定されたとき、前記原料融解工程のルツボの加熱条件を前記単結晶原料が完全に融解する前の加熱条件から変化させ、完全に融解した原料融液を予め決められた目標温度に保持する加熱制御工程を備えることを特徴とする単結晶の製造方法。
3. 請求項１に記載の単結晶の製造方法において、
   前記判定工程は、前記単結晶原料が融解する過程において、前記単結晶原料が完全に融解する可能性のある前記輻射光強度の下限値を予め決められた閾値とし、当該閾値以上の温度域において前記単結晶原料が完全に融解した時点の判定処理を実施することを特徴とする単結晶の製造方法。
4. 原料融液が収容されるルツボと、
   前記ルツボを加熱する加熱手段と、
   前記ルツボ内の原料融液に浸漬した種結晶を引き上げて単結晶を育成する引上げ機構と、
   前記ルツボの温度を測定する第１の測定器と、
   前記単結晶原料が融解する過程において原料融液の表面若しくは表面付近からの輻射光強度を測定する第２の測定器と、
   前記第１及び第２の測定器の測定信号に基づいて前記加熱手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記ルツボに収容された単結晶原料を完全に融解して原料融液とする原料融液作製制御部を有し、
   前記原料融液作製制御部は、前記加熱手段の出力を予め決められたレベルに設定することで前記ルツボを加熱して前記単結晶原料の融解を開始する第１の加熱制御部と、
   前記第２の測定器による測定動作を継続的に実施し、前記第２の測定器による測定結果が極大になったときに前記単結晶原料が完全に融解したと判定する判定部と、
   前記判定部により前記単結晶原料が完全に融解して原料融液に至ったと判定されたときに前記加熱手段の出力を前記単結晶原料が完全に融解する前の出力よりも低く設定し、前記第１の測定器による測定結果に基づいて前記原料融液を予め決められた目標温度に保持する第２の加熱制御部と、を有することを特徴とする単結晶の製造装置。
5. 請求項４に記載の単結晶の製造装置において、
   前記第２の測定器は、可視域に感度を有する光学センサであることを特徴とする単結晶の製造装置。
6. 請求項４に記載の単結晶の製造装置において、
   前記第２の測定器は、可視域に感度を有する分光光度計であって、前記輻射光強度を測定するときに前記可視域の予め決められた波長域範囲の積分値を使用することを特徴とする単結晶の製造装置。
7. 請求項４に記載の単結晶の製造装置において、
   前記第２の測定器は、可視域に感度を有する分光光度計であって、前記輻射光強度を測定するときに前記可視域内で選定された少なくとも２波長に依存する測定値に基づく演算値を使用することを特徴とする単結晶の製造装置。
8. 請求項４に記載の単結晶の製造装置において、
   前記第２の測定器は４００ｎｍ乃至８００ｎｍの波長帯域を利用することを特徴とする単結晶の製造装置。
9. 請求項５に記載の単結晶の製造装置において、
   前記原料融液作製制御部は、前記第２の測定器による前記輻射光強度が予め決められた許容範囲を超えるときに、前記輻射光強度を前記許容範囲内に収めるように前記第２の測定器である光学センサの感度を補正することを特徴とする単結晶の製造装置。
10. 請求項６又は７に記載の単結晶の製造装置において、
    前記原料融液作製制御部は、前記第２の測定器による前記輻射光強度が予め決められた許容範囲を超えるときに、前記輻射光強度を前記許容範囲内に収めるように前記第２の測定器である分光光度計の露光時間を補正することを特徴とする単結晶の製造装置。

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