JP2019019046A - 単結晶育成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱レーザ光の照射により単結晶を育成する単結晶育成装置を提供する。【解決手段】鉛直方向を第１方向として、第１方向に沿って延伸する原料棒と、原料棒を中心として放射状に設けられ、原料棒にＭ本の加熱レーザ光を照射するＭ個のレーザ照射ヘッドとを備え、加熱レーザ光の光軸に直交する２次元平面におけるＭ本の加熱レーザ光の照射強度分布は、第１方向と直交する第２方向の第２の照射強度分布は略均一の照射強度を有し、且つ、第１方向の照射強度分布は、下方向の照射強度はなだらかに減少し、上方向の照射強度は急峻に減少する、第１方向に非対称な照射強度分布を有する加熱レーザ光を有する育成装置を提供する。【選択図】図１５

Description

本発明は、単結晶育成装置に関する。

鉛直方向に設置した原料棒を溶融して単結晶を育成するレーザ光を用いた浮遊溶融帯単結晶育成方式において、加熱レーザ光が原料棒の軸方向、且つ、原料棒の径方向に略均一の照射強度を有する照射強度分布（この照射強度分布はしばしばトップハット照射強度分布と呼称される）を有する複数の加熱レーザ光を周囲から原料棒に照射する加熱方式が提案されている（例えば、特許文献１）。
［特許文献１］ 特許第５１８１３９６号

しかしながら、加熱レーザ光が原料棒の軸方向に略均一で、且つ、原料棒の径方向に略均一の照射強度を有する照射強度分布（即ち、トップハット照射強度分布）を有する複数の加熱レーザ光による従来の加熱方式では、溶融帯から成長した結晶棒の軸方向に急峻な温度勾配が生じるので、得られる単結晶の品質が悪化する。

本発明の第１の態様においては、鉛直方向を第１方向として、第１方向に沿って延伸する原料棒と、原料棒を中心として放射状に設けられ、原料棒にＭ本の加熱レーザ光を照射するＭ個のレーザ照射ヘッドとを備え、加熱レーザ光の光軸に直交する２次元平面におけるＭ本の加熱レーザ光の照射強度分布は、第１方向において予め定められた第１の照射強度分布を有し、且つ、第１方向と直交する第２方向の第２の照射強度分布は略均一の照射強度を有し、第１の照射強度分布は、最大強度Ｉｍａｘもしくは連続する最大強度Ｉｍａｘの下端部の位置をＺＬとし、最大強度Ｉｍａｘの下方向の５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置をＺ１とすると、
ＺＬ−Ｚ１≧２ｍｍ
である単結晶育成装置を提供する。

本発明の第２の態様においては、第１の照射強度分布は、最大強度Ｉｍａｘもしくは連続する最大強度Ｉｍａｘの上端部の位置をＺＵとし、最大強度Ｉｍａｘの上方向の５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置をＺ２とすると、
３ｍｍ≧Ｚ２−ＺＵ≧０ｍｍ
である単結晶育成装置を提供する。

本発明の第３の態様においては、鉛直方向に延伸する原料棒を用意し、原料棒を中心として放射状に設けられたＭ個のレーザ照射ヘッドを用いて、原料棒にＭ本の加熱レーザ光を照射し、加熱レーザ光の光軸に直交する２次元平面におけるＭ本の加熱レーザ光の照射強度分布は、鉛直方向を第１方向として、予め定められた第１の照射強度分布を有し、且つ、第１方向と直交する第２方向の第２の照射強度分布は略均一の照射強度を有し、第１の照射強度分布は、最大強度Ｉｍａｘもしくは連続する最大強度Ｉｍａｘの下端部の位置をＺＬとし、最大強度Ｉｍａｘの下方向の５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置をＺ１とすると、
ＺＬ−Ｚ１≧２ｍｍ
である単結晶の育成方法を提供する。

本発明の第４の態様においては、前記第１の照射強度分布は、最大強度Ｉｍａｘもしくは連続する最大強度Ｉｍａｘの上端部の位置をＺＵとし、前記最大強度Ｉｍａｘの上方向の５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置をＺ２とすると、
３ｍｍ≧Ｚ２−ＺＵ≧０ｍｍ
である単結晶の育成方法を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群の組み合わせもまた、発明となりうる。

実施例１に係る単結晶育成装置１００の斜視図の一例を示す。 単結晶育成装置１００の上面図の一例を示す。 レーザ照射ヘッド５０のレンズ構成の一例を示す。 加熱レーザ光３の照射強度分ｎ布の一例を示す。 実施例１の加熱レーザ光３の（Ｘ−Ｚ）平面での長円形状の照射強度分布形状を示す。 実施例１に係る原料棒１のＺ軸方向の照射強度分布を示す。 実施例１に係る原料棒１のＸ軸方向の照射強度分布を示す。 結晶成長中の溶融帯４の溶融温度観察例を示す。 レーザ光５の分割方法の一例を示す。 実施例２に係る反射ミラー８０の上部配置の一例を示す。 実施例２に係る反射ミラー８０の上部配置の一例を示す。 実施例２に係る加熱レーザ光３のＸ軸、Ｚ軸方向の照射強度分布を示す。 実施例３に係る反射ミラー８０の下部配置の一例を示す。 実施例３に係る加熱レーザ光３のＸ軸、Ｚ軸方向の照射強度分布を示す。 実施例４に係る加熱レーザ光３のＺ軸方向の照射強度分布を示す。 実施例４に係る加熱レーザ光３のＸ軸、Ｚ軸方向の照射強度分布を示す。 実施例５に係る加熱レーザ光３のＺ軸方向の照射強度分布を示す。 実施例６に係る加熱レーザ光３のＺ軸方向の照射強度分布を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

［実施例１］
図１は、実施例１に係る単結晶育成装置１００の斜視図の一例を示す。図２は、原料棒１から結晶棒２の成長時における単結晶育成装置１００の上面図の一例を示す。

単結晶育成装置１００は、Ｎ台の電源１０と、１台のレーザ光源２０と、１台のレーザ光分割装置３０と、Ｍ本の光ファイバ４０と、Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０と、Ｍ個のダンパ６０とを備える。Ｍは１より大きい整数（即ち、Ｍ＞１）である。本例では、電源１０の台数Ｎ＝２台で、分割本数Ｍ＝５の場合を示す。原料棒１、結晶棒２および溶融帯４を示す。本例の単結晶育成装置１００は、放射温度計７０−１および放射温度計７０−２の２台の放射温度計７０を有する。放射温度計７０−１は、溶融帯４の中心軸上、上下の中心において半径０．５ｍｍ内の温度を計測する。放射温度計７０−２は、結晶棒２の中心軸上で、溶融帯４の直下の０ｍｍ〜２０ｍｍ程度の範囲で、半径０．５ｍｍ内の結晶棒２の温度を計測する。

なお、本明細書において、鉛直方向を第１方向とする。第１方向に沿って延伸する原料棒１を設置する。Ｚ軸方向を原料棒１の中心軸方向とする。加熱レーザ光３の光軸に垂直な２次元平面内で、Ｚ軸に垂直な方向をＸ軸方向とする。また、原料棒１の中心軸を中心として、Ｚ軸に垂直な方向（即ち、原料棒１の径方向）をＲ方向と称する。本例の原料棒１は、直径Ｄを有する。溶融帯４の高さをＨとする。さらに、本明細書において、下方向とは、鉛直方向における重力方向を指し、上方向とは、鉛直方向における重力方向と反対方向を指す。

単結晶育成装置１００における浮遊溶融帯方式では、原料棒１を溶融するために加熱照射光が必要である。本例の単結晶育成装置１００は、円柱状形状の原料棒１の加熱照射光としてＭ本の加熱レーザ光３を用いる。

Ｍ本の加熱レーザ光３は、原料棒１の中心軸を中心として、放射状に原料棒１に入射する。Ｍ本の加熱レーザ光３は、加熱レーザ光３の光軸と直交する（Ｘ−Ｚ）２次元平面において、長円形状の照射強度分布を有する。Ｍ本の加熱レーザ光３の照射強度分布の形状は、（Ｘ−Ｚ）平面において、円形状、楕円形状、矩形状およびこれらの形状の一部を組み合わせた形状の少なくとも１つの形状を含む長円形状である。より具体的には、Ｍ本の加熱レーザ光３は、（Ｘ−Ｚ）平面において、Ｚ軸方向（即ち、原料棒１の延伸方向）に釣り鐘型の照射強度分布を有し、且つ、Ｘ軸方向に略均一の照射強度分布を有する。

１台のレーザ光源２０は、Ｎ台の電源１０により駆動し、１本のレーザ光５を生成する。１台のレーザ光源２０は、Ｎ＜Ｍを満たすように設けられたＮ台の電源の出力により制御されてよい。レーザ光源２０が１ＫＷ以上の高出力の場合に必要な電流は数１０Ａ以上となる。市販されている電源の供給電流量が小さい場合は２台以上用いてよい。２台以上の電源においてもカスケード接続により１台のように供給電力を制御できる。１台のレーザ光源２０は、生成した１本のレーザ光５を１台のレーザ光分割装置３０に出射する。１台のレーザ光源２０は、複数の半導体ダイオードを含んでよい。

１台のレーザ光分割装置３０は、１本のレーザ光５をＭ本に分割する。レーザ光分割装置３０は、分割したレーザ光５をＭ本の光ファイバ４０に入射する。本例のレーザ光分割装置３０は、１本のレーザ光５をＭ本に分割する。

Ｍ本の光ファイバ４０は、５本の光ファイバ４０−１〜光ファイバ４０−５を有する。Ｍ本の光ファイバ４０は、Ｍ本のレーザ光５をＭ本の加熱レーザ光３として出射する。Ｍ本の光ファイバ４０の断面形状は、円形断面形状、楕円断面形状、矩形状およびこれらの形状を組み合わせた形状の少なくとも１つの組み合わせからなる長円形断面形状を有する。

Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０は、Ｍ本の光ファイバ４０から入射したＭ本の加熱レーザ光３を原料棒１に集光する。Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０は、原料棒１が延伸するＺ軸方向を中心として放射状に配置される。また、Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０は、等角度にＭ本の加熱レーザ光３を原料棒１に照射するように配置される。本例のレーザ照射ヘッド５０は、原料棒１を中心に略７２度の間隔の角度で奇数個の５方向から加熱レーザ光３を照射する。Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０の個数は奇数であることが好ましい。

例えば、Ｍが５の奇数個配置の場合、原料棒１の外周上の照射強度分布は９５％の照射強度の均一性を有する。Ｍが７の場合の原料棒１の外周上の照射強度分布は９７％の照射強度の均一性を有する。Ｍが偶数である６の場合の原料棒１の外周上の照射強度分布の照射強度の均一性は８５％である。Ｍが偶数のレーザ照射ヘッド５０の場合、照射強度分布の照射強度の均一性が低下する。したがって、Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０の個数が奇数個であることが好ましい。Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０は、Ｍ本の加熱レーザ光３を予め定められた照射形状に整形する。

図２に示したダンパ６０は、水冷機構を有し、Ｍ本の加熱レーザ光３の原料棒１の周囲を通過した加熱レーザ光３を吸収する。Ｍ個のダンパ６０は、原料棒１を挟んで、Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０とそれぞれ対向して設ける。これにより、Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０による単結晶育成装置１００の内部の加熱による損傷を防止できる。

放射温度計７０−１は、原料棒１が溶融し、形成した溶融帯４から発光する輻射光強度を計測することにより、溶融帯４の温度を計測する。放射温度計７０−１は、溶融帯４の０．５ｍｍの半径内の局所温度を結晶成長中に実測できる。結晶成長中に溶融帯４の０．５ｍｍの半径内の局所温度計測できるその場観察方法は、結晶材料の結晶構造組成を決定し、その組成の結晶成長を実現し、単結晶作製の最適条件を決定する上で、極めて重要である。例えば、溶融帯温度により得られる組成が異なる。溶融温度は結晶装置の育成条件に依存しない材料の固有の物性情報を与えるからである。共焦点楕円体を用いる従来のハロゲンランプでの観察は溶融帯４の周囲が鏡体に囲まれるので、微小領域のその場温度観察は困難である。放射温度計７０の温度再現性は±１℃以内である。一度、溶融温度の最適化が実現できると、溶融帯４の直径が変化しても、また、結晶成長時間を変更しても最適な温度になるようにレーザ光源２０の出力を電源１０により制御できる。溶融帯４の溶融状態をカメラで監視していただけの方法に対して、放射温度計７０−１は、結晶成長中の制御法に大きな武器となる。例えば、単結晶育成装置１００は、放射温度計７０で計測した輻射光強度に応じて、Ｎ台の電源１０の入力電力を制御する。これにより、単結晶育成装置１００は、加熱レーザ光３の輻射光強度を調整する。

放射温度計７０−２は、結晶棒２の上端部付近、溶融帯直下の０〜２０ｍｍ程度の範囲の温度を測定する。この測定により、結晶棒２の上端部付近の冷却状態を監視可能になる。結晶棒２の温度の実測は材料により熱伝導度係数は大きく異なることから重要である。絶縁性材料、半導体材料、金属で数桁異なる熱伝導度係数を有する。また、溶融温度近辺の熱伝導係数は未知である材料が多い。このために、実際の結晶棒２の形状や結晶棒２を保持した結晶育成状態での結晶棒２の温度測定は大変重要である。そればかりではなく、その材料に関する貴重な物性情報が得られる。

例えば、結晶棒２の上端部から１０ｍｍ下の部位での温度を測定する。これにより、結晶棒２の冷却速度を監視できる。溶融帯４の温度を７０−１で観測する。その温度をＴＭとする。溶融帯４と結晶棒２の上端部境界から下方向１０ｍｍの結晶棒２の温度がＴＳであるとする。成長速度はＳｍｍ／時間の場合、（ＴＭ−ＴＳ）／（１０／Ｓ）が得られた単結晶の溶融温度からの１時間あたりの平均冷却温度となる。ＴＭ−ＴＳ＝４００℃、Ｓ＝４ｍｍ／時間の場合、溶融温度から１時間での平均冷却速度は１６０℃となる。溶融温度の高温付近での平均冷却時間を知ることは、結晶作成時の残留熱歪に大きな影響を与えることから、極めて重要である。

成長した単結晶の冷却時間は小さいことが好ましい。特に溶融温度近傍の冷却時間は重要である。結晶を構成する元素が溶融状態での激しい運動から、ポテンシャル安定点である結晶格子点に落ち着く必要がある。この激しい運動からポテンシャル安定点に移動する場合、結晶格子点に安定する前に、準安定ポテンシャル位置に決まらないように徐冷することが必要である。急速冷却の場合、元素が準安定ポテンシャル位置に安定してしまう機会が発生する。準安定位置にとどまった元素はクラック発生起因となる熱残留歪を結晶格子に与える、伝導電子に影響を及ぼし、超伝導転移温度などの再現性を損なうなどの深刻な悪影響の生じる場合がある。上記溶融温度からの結晶棒２の冷却時間１６０℃が大きすぎるかどうかは材料特性に依存する。得られた結晶棒２にクラックが発生したりする場合は、明らかに冷却速度が速すぎる例である。超伝導転移温度が低下するなどの結晶の電子の伝導特性に変化を示す場合も冷却速度が速すぎる例である。このような現象が認められた材料に関してのＺ軸の下方向の照射強度分布をさらに強度傾斜を小さくする必要がある。もしくは、結晶成長速度を長くする必要がある。いずれにしてもＺ軸方向に急峻な照射強度分布を有する照射強度分布（トップハット照射強度分布）を有する従来のレーザＦＺ単結晶装置は得られた単結晶の品質上において、極めて深刻な問題点を有する場合がある。

原料棒１は、原料の焼結棒である。原料棒１の下端部と結晶棒２の上端部をＭ本の加熱レーザ光３で加熱および溶融することにより原料棒１と結晶棒２との間に溶融帯４を形成できる。例えば、原料の溶融温度は、２００℃から３０００℃である。浮遊溶融帯方式は結晶棒２の上端部の結晶表面にエピタキシャル成長させ、単結晶を得る。このエピタキシャル成長は、結晶棒２を徐々に下降させることにより積層堆積させることで実現できる。結晶棒２の下降速度が結晶の成長速度となる。

石英管６は、Ｍ本の加熱レーザ光３の波長に対して透明な石英により形成した円管である。石英管６の中心軸上に原料棒１を配置する。石英管６内には、結晶棒２の結晶成長に最適なガスを充満させる。

Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０は、Ｚ軸方向の照射強度分布形状が釣り鐘型形状であり、Ｘ軸方向の照射強度分布形状が略均一形状であるＭ本の加熱レーザ光３を形成する。本明細書において、釣り鐘型の照射強度分布とは、Ｚ軸方向の照射強度分布の中央付近が最大となり、上方向ならびに下方向になだらかに照射強度が減少する強度分布を有する照射強度分布を指す。Ｚ軸方向の照射強度分布の最大強度となる照射強度をＩｍａｘとする。Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０は、Ｚ軸方向における照射強度分布を釣り鐘型とすることにより、溶融帯４と結晶棒２との界面にエピタキシャル成長した結晶部の照射強度分布の減少をなだらかにし、結晶部の急速冷却を抑制する。Ｚ軸の下方向に照射強度が減少する形状は、曲線形状の照射強度分布を有していても、直線形状の照射強度分布を有していても、多角形型の照射強度分布を有してよい。一例において、Ｍ本の加熱レーザ光３は、Ｚ軸方向において、釣り鐘型の照射強度分布を有する。

ここで重要な点は、Ｚ軸方向の照射強度分布が釣り鐘型形状であっても、Ｘ軸方向に略均一な照射強度分布を有することである。ハロゲンランプを用いる従来方法はＺ軸方向およびＸ軸方向も釣り鐘型形状になっている点で、本例とは大きく異なる。Ｘ軸方向に略均一な照射強度分布を有することは原料棒１の外周方向の照射強度の均一性が５個のレーザ照射ヘッド５０の場合９５％の高い均一性を確保できる。その上で成長した結晶棒２の急速冷却を抑制することができる。

さらに、Ｍ本の加熱レーザ光３の照射強度分布は、Ｚ軸方向において非対称であってよい。一例において、Ｍ本の加熱レーザ光３は、原料棒１が溶融している下端部は、急峻な照射強度分布を有していてもよい。釣り鐘型のＺ軸方向の上方向の照射強度の減少分布は、Ｚ軸方向の下方向の照射強度の減少分布より急峻である非対称の照射強度分布を有してよい。この急峻に減少する照射強度分布は、原料棒１に溶融帯４の溶融液が吸い込まれる効果を抑制する。原料棒１は焼成された棒であり、結晶棒２に対して材料密度が小さい。このため、液体化した材料は原料棒１の間隙に浸透する。この原料棒１への溶融液の吸い込みは溶融帯４のＲ方向の直径Ｗの減少を招くと同時に原料棒１の下端部の直径Ｄを増大させる。溶融液の吸い込みによる溶融帯４の直径Ｗの減少や原料棒１の直径Ｄの増大は、溶融帯４が不安定化する要因となる。原料棒１に溶融液が吸収される量を抑制するためには、原料棒１側の温度勾配は急峻であることが必要である。このようなＺ軸方向の非対称な照射強度分布は原料棒１への吸い込みを抑制し、尚且つ、結晶棒２側の温度勾配がなだらかであることにより成長した結晶棒２への熱歪を緩和する。従来のハロゲンランプではこのような照射形状を実現することはできない。加熱光が指向性の高いレーザ光であって初めて実現できる。ハロゲンランプの照射形状の照射強度分布は上下方向に５０ｍｍ以上の大変広い範囲での照射強度分布を有し、レーザ光とは本質的に異なる光源である。

また、従来のトップハット照射強度分布である加熱レーザ光を用いた場合は、原料棒１側の急峻な照射強度分布を実現できても、結晶棒２への急峻な照射強度分布による熱残留歪を発生させる。これは結晶棒２にクラックを発生させ、超電導転移温度Ｔｃの再現性を損なうなどの深刻な問題を発生させる。

図３Ａは、レーザ照射ヘッド５０のレンズ構成の一例を示す。図３Ｂは、加熱レーザ光３の照射強度分布の一例を示す。

レーザ照射ヘッド５０は、複数のレンズを有する。レーザ照射ヘッド５０は、複数のレンズの間隔および焦点距離を調整することにより、加熱レーザ光３の照射強度分布の形状および照射強度を調整する。例えば、レーザ照射ヘッド５０は、Ｍ本の光ファイバ４０からのレーザ光５を凸レンズで平行光に変換する。平行にされたＭ本の加熱レーザ光３は透明平板を透過する。この部分を照射ヘッドＡの部品とする。その後、また透明平板を透過し、その後３枚のレンズでＺ軸方向に釣り鐘型でＸ軸方向に略均一の照射強度分布を持つように部品Ｂを構成する。３枚のレンズを適切に選択することにより、Ｚ軸方向は釣り鐘型、かつＸ軸方向は略均一の照射強度分布が得られる。図中の長円Ｅは、レーザ照射ヘッド５０に形成された（Ｘ−Ｚ）平面での二次元照射強度分布を示す。

レーザ照射ヘッド５０は、部品Ａと部品Ｂとの距離Ｌを可動となるように構成される。レーザ照射ヘッド５０は、部品Ａを光学台に固定し、可動距離Ｌを調整することにより、原料棒１との照射距離を調整する。Ｚ軸方向の釣り鐘型の照射強度の強度が５０％になるときの半値幅Ｗ_０を変更するためにはＢ部品のレンズの焦点距離などの変更が必要である。そのためＢ部品のレンズ交換は側面から容易に交換可能となるようにあらかじめ設計してある。レンズ交換、および可動距離Ｌの調整により、Ｘ軸方向の略均一な長さを変化させることなく、Ｚ軸方向の釣り鐘型を原料棒１の位置で予め定められた釣り鐘型に拡大、もしくは縮小できる。

また、図３Ｂは、原料棒１に集光するＭ本の加熱レーザ光３の長円形状の照射強度分布の一例を示す。Ｍ本の加熱レーザ光３のＺ軸方向の照射強度分布は釣り鐘型形状照射強度分布である。Ｉｍａｘは、Ｚ軸方向の照射強度の最大値である。レーザ照射ヘッド５０は、Ｚ軸方向の照射強度が最大になるＩｍａｘの位置からＺ軸の上下方向に照射強度が減少する照射強度分布となるように複数のレンズを調整する。

Ｚ１は、下方向（即ち、Ｚ軸の負の方向）の５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置である。また、Ｚ２は、上方向（即ち、Ｚ軸の正の方向）の５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置である。Ｚ１'は、下方向（即ち、Ｚ軸の負の方向）の１０％照射強度（０．１×Ｉｍａｘ）の位置である。また、Ｚ２'は、上方向（即ち、Ｚ軸の正の方向）の１０％照射強度（０．１×Ｉｍａｘ）の位置である。

最大強度ＩｍａｘのＺ軸における位置をＺ＝０とする。最大強度ＩｍａｘがＺ軸方向に略均一な場合が連続する場合は連続する最大強度Ｉｍａｘと表現する。連続する最大強度ＩｍａｘのＺ軸方向の下端部の位置をＺＬとすると、５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置であるＺ１は、
［数１］
ＺＬ−Ｚ１≧２ｍｍ
を満たすような照射強度分布を有する。即ち、最大強度Ｉｍａｘの下方向に２ｍｍの位置では照射強度が５０％以上となるように照射強度の減少が抑えられる。これにより、得られた結晶棒２の急冷を緩和する。トップハット照射強度分布では最大強度Ｉｍａｘの下方向に２ｍｍの位置では照射強度がゼロとなり、得られた結晶棒２は急冷されてしまう。

さらに、結晶棒２の溶融温度から室温付近の温度までの冷却速度を制御できる。Ｍ本の加熱レーザ光３によって形成されたＺ軸の方向の照射強度分布は、第１方向の釣り鐘型の照射強度分布において、照射強度が最大値の１０％となる上方向と下方向の幅をＺ_０とし、原料棒１が溶融した溶融帯４の第１方向の高さをＨとしたとき、
［数２］
（Ｚ_０−Ｈ）／２≧Ｓ
を満たすように複数のレンズを調整する。また、レーザ照射ヘッド５０は、複数のレンズの個数を変化させることなく、レンズの間隔を調整することが好ましい。

Ｓは、結晶成長速度（ｍｍ／時）である。Ｚ_０を（２Ｓ＋Ｈ）ｍｍと設計すれば、成長した結晶棒２の溶融温度からの冷却時間を略１時間となるように設計したことになる。例えば、結晶成長速度を１時間あたり４ｍｍとする。溶融帯４の高さＨ＝５ｍｍとする。Ｚ_０＝２１ｍｍの照射強度分布を有する釣り鐘型の加熱レーザの場合、得られた結晶は溶融温度Ｔ_ＭからＴ_Ｍ×０．１の温度までの冷却時間を２時間と設計したことになる。Ｓ＝２ｍｍ／時間とすれば、冷却時間を４時間と設計したことになる。

Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０は、結晶棒２の移動速度（即ち、結晶の成長速度）に応じて、釣り鐘型の照射強度分布を調整してよい。例えば、Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０は、結晶棒２の移動速度の増加に応じて、釣り鐘型の照射強度分布の勾配を緩やかにしてよい。また、Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０は、結晶棒２の移動速度の低下に応じて、釣り鐘型の照射強度分布の勾配を急峻にしてよい。Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０は、レンズ交換もしくはＬの間隔を調整し、Ｍ本の加熱レーザ光３の照射強度分布を調整する。

図４は、加熱レーザ光３の長円形状の照射温度形状の実施例１の場合を示す。本例の照射強度分布は円形の光ファイバ４０からの照射強度分布に基づいて計算したレンズ光学系のシミュレーション結果である。レンズ系の焦点距離等を適切に選択することにより、高精度の結果が得られる。同図より、加熱レーザ光３の照射温度形状が長円形状を有することが確認される。

図５は、原料棒１のＺ軸方向の照射強度分布の実施例を示す。本例のＭ本の加熱レーザ光３は、Ｚ軸方向において、釣り鐘形状の照射強度分布を有する。

釣り鐘形状とは、最大照射強度Ｉｍａｘの位置Ｚ＝０を中心として上下方向になだらかに強度が減少する照射強度分布である。このような照射強度分布はガウス分布形状とも呼ばれる。特に、重要な点は、Ｚ軸の下方向の傾斜である。この下方向のなだらかな傾斜を有するＭ本の加熱レーザ光３を用いることにより、成長した結晶棒２の上端部が成長速度をもって下降することに伴う溶融温度からの温度冷却を緩和する。下方向の照射強度の急峻な減少は成長した結晶棒の上端部が成長速度をもって下降することに伴う溶融温度からの急速冷却を引き起こす。

照射強度分布がトップハット照射強度分布を有する方法では、連続するＩｍａｘの下端部から２ｍｍ程度で、照射強度はゼロとなる。５０％照射強度は１ｍｍ程度もなく、Ｉｍａｘから下方向に極めて急峻な温度勾配をもつ。５０％の照射強度の位置Ｚ１の照射強度が重要な理由は材料の溶融温度から溶融温度の半分（５０％）の領域での温度勾配が得られた結晶への熱ひずみ現象に多大な影響を及ぼすからである。そのためにこの温度領域を作る照射強度１００％から５０％の照射強度分布が結晶棒に与える残留熱ひずみを緩和する上で決定的である。そのためにＭ本の加熱レーザ光３の照射強度分布は、下方向の強度減少がなだらかでなければならない。釣り鐘形状分布において最大強度Ｉｍａｘの５０％の位置Ｚ１はＩｍａｘの位置Ｚ＝０から少なくとも２ｍｍ以上でなければならない。釣り鐘形状の照射強度分布の有利な点は、Ｉｍａｘ付近の強度傾斜が小さい点である。この特徴は、溶融帯４と結晶棒２の境界近傍の照射強度分布の傾斜が小さいことから、この位置での温度傾斜が小さくできることを保証する。

照射強度が０．５×Ｉｍａｘの下方向での位置Ｚ１は−６ｍｍである。これにより結晶棒の室温近傍までの急速冷却を抑制できる。Ｍ本の加熱レーザ光３の照射強度分布が１０％になるＭ本の加熱レーザ光３の幅Ｚ_０は２１ｍｍである。成長速度が４ｍｍ／時の結晶成長速度の場合、（（２１−５）／２）／４＝２時間で溶融温度×０．１の温度まで冷却される。成長速度を２ｍｍ／時間とすれば、冷却時間を４時間とすることができる。成長速度を１ｍｍ／時間とすれば、冷却時間を８時間とすることができる。第１の照射強度分布は、直線形型もしくは多角形型の照射強度分布を有してよい。また、第１の照射強度分布は、釣り鐘型の照射強度分布の一部と、直線形もしくは多角形型の照射強度分布の一部との組み合わせからなる照射強度分布を有してよい。

以上、加熱レーザ光３は、Ｚ軸方向における照射強度分布に所望の傾斜を付けることにより、結晶棒２への急速な冷却を緩和でき、熱ストレスのよる結晶のクラック発生を抑制できる。また、残留熱ひずみが結晶材料の物性特性に与える深刻な影響を緩和もしくは除去する。特に、熱伝導率の小さい絶縁性材料においては、Ｚ軸方向における照射強度分布の傾斜は必須の要求である。

ここで、径方向の照射強度分布は、原料棒１の直径Ｄと、Ｘ軸方向の略均一な照射強度分布を有する領域は結晶棒１が含まれることが好ましい。Ｍ本の加熱レーザ光３は、Ｘ軸方向において、略均一の照射強度分布を有する。一定の照射強度の長さをＬとする。長さＬは原料棒１の直径をＷとしたとき、
［数２］
Ｌ≧Ｗ
を満たすように、複数のレンズを調整する。

図６に実施例１の場合、Ｌは８ｍｍ長である。Ｗが５〜６ｍｍ程度の原料棒１の直径に適した均一長である。さらに左右に±２ｍｍのなだらかな照射強度分布を有している。この傾斜は原料棒１が左右に偏芯する場合の余裕度を上げる。

図７は、放射温度計７０−１による実測値の一例を示す。縦軸は溶融帯４の温度［℃］を示し、横軸は時刻を示す。原料棒１の材料は、Ｎｄ_２Ｍｏ_２Ｏ_７である。Ｎｄ_２Ｍｏ_２Ｏ_７は、１６３０℃付近で溶融する。溶融帯４の温度は、２時間経過すると１６３０℃から１６２０℃に１０℃程度低下する。溶融帯４の温度変化は、溶融帯４を監視しているモニター画像では判別できない。溶融帯４の温度低下は、原料の蒸発による石英管６の内面への付着による、Ｍ本の加熱レーザ光３の透過光の減衰に起因する。石英管６の内面への付着物は、結晶作製後に確認できるが、結晶作製中に観察できない。本例では、放射温度計７０を用いることにより、溶融帯４の温度変化を結晶作製中にモニターできる。これにより、単結晶育成装置１００は、溶融帯４の温度変化に応じて、Ｍ本の加熱レーザ光３の強度を制御できる。即ち、単結晶育成装置１００は、溶融帯４の温度のその場観察により、安定して結晶棒２を作製できる。

放射温度計の温度再現性は、±１℃以内である。そのため、一度、溶融帯４の温度を確認できれば、次回以降は容易に材料を溶融温度に制御できる。単結晶育成装置１００は、放射温度計７０−１によるモニター温度が一定になるように、Ｍ本の加熱レーザ光３の強度を制御する。一例において、単結晶育成装置１００は、原料材料からの蒸発物による溶融温度低下を検知し、電源１０の印加電流を増加させ、溶融帯温度を一定に保つように制御する。本例の単結晶育成装置１００は、Ｍ本の加熱レーザ光３の強度の制御により、溶融帯４の温度の低下を防止できる。

なお、単結晶育成装置１００は、溶融帯４の温度を自動制御してもよい。例えば、単結晶育成装置１００は、放射温度計７０−１の出力を検知し、加熱レーザ用の電源電流をＰＩＤ制御すれば、溶融帯４の温度を±１℃以内で制御できる。このように、単結晶育成装置１００は、放射温度計７０−１を備えることが好ましい。

図８は、レーザ光５の分割方法の一例を示す。１台のレーザ光分割装置３０は、Ｙ方向コリメータ３１と、Ｘ方向コリメータ３２と、分割ミラー３３と、第１集光レンズ３６と、第２集光レンズ３７とを備える。これにより、１台のレーザ光源２０が照射した１本のレーザ光５を５本の光ファイバ４０に分割する。

１台のレーザ光源２０は、１本のレーザ光５を１台のレーザ光分割装置３０に照射する。１台のレーザ光源２０は、ヒートシンク２５に接続されている。

Ｙ方向コリメータ３１およびＸ方向コリメータ３２は、１台のレーザ光源２０からの１本のレーザ光５を平行光に変換する。Ｙ方向コリメータ３１およびＸ方向コリメータ３２は、コリメータレンズの一例である。

分割ミラー３３は、入射した１本のレーザ光５をＭ本に分割する。本例の１台のレーザ光分割装置３０は、１本のレーザ光５を５本に分割するために、４つの分割ミラー３３を有する。一例において、分割ミラー３３は、１本のレーザ光５の一部を反射し、それ以外を通過させることにより、１本のレーザ光５を分割する。

第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７は、分割ミラー３３が分割したレーザ光５を、集光して光ファイバ４０に入射する。第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７は、光ファイバ４０のビームパラメータプロダクト（ＢＰＰ）の条件を満たして配置する。なお、レーザ光５を光ファイバ４０に集光するレンズは、最小数の２枚の集光レンズである第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７で構成したが、それ以上の集光レンズの組み合わせであってもよい。

なお、分割ミラー３３は、入射するレーザ光５と、分割ミラー３３の垂直軸との角度を変更することなく移動するために、アクチュエータ等の機構を備えてよい。分割ミラー３３がアクチュエータを備える場合、レーザ光５を分割する比率を自由に調整できる。そのため、１台のレーザ光分割装置３０は、Ｍ本に分割されたレーザ光５のレーザ光強度が均一となるように制御できる。

［実施例２］
図９は、Ｍ個の反射ミラーを有する単結晶育成装置１００の構成の一例を示す。図１０に示すようにＭ個の反射ミラー８０は、Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０と原料棒１との間にそれぞれ設けられる。本例の場合、レーザ照射ヘッド５０および原料棒１の間隔ＷＤが１６０ｍｍであり、レーザ照射ヘッド５０とＭ個の反射ミラー８０との距離ｄは７７ｍｍである。Ｍ個の反射ミラー８０は、Ｍ本の加熱レーザ光３の少なくとも一部を反射する。これにより、Ｍ個の反射ミラー８０は、Ｍ本の加熱レーザ光３の照射強度分布の形状の上下の照射光強度分布を非対称にする。例えば、Ｚ軸方向における照射強度分布の形状を、非対称な釣り鐘型に調整する。また、Ｍ個の反射ミラー８０は、Ｍ本の加熱レーザ光３の入射角度および反射ミラー８０の高さを調整することにより、Ｚ軸方向における照射強度分布の非対称形状を調整する。例えば、Ｍ個の反射ミラー８０は、Ｍ本の加熱レーザ光３のＺ軸方向における照射強度分布の形状を、非対称な三角形又は非対称な多角形型の照射強度分布に調整してよい。Ｍ個の反射ミラー８０は、Ｍ本の加熱レーザ光３の照射強度分布の形状を調整するＭ個の調整部の一例である。実施例２はＭ個の調整部は５個の反射ミラー８０−１〜８０−５からなる。

Ｍ個の反射ミラー８０は、Ｍ本の加熱レーザ光３の上部に配置されてよい。Ｍ個の反射ミラー８０が上部配置される場合、Ｍ個の反射ミラー８０は、Ｍ本の加熱レーザ光３の上部を反射する。例えば、Ｍ個の反射ミラー８０は、Ｍ本の加熱レーザ光３の上部を単結晶育成装置１００の下方向に反射する。

Ｍ個の反射ミラー８０の材料は、Ｍ本の加熱レーザ光３を反射する材料であれば特に限られない。一例において、Ｍ個の反射ミラー８０の材料は、銀である。銀で形成された反射ミラー８０は、レーザ光５の波長が９４０ｎｍの場合、９７％以上の高い反射率を有する。Ｍ個の反射ミラー８０の材料は、高温となる溶融帯４からの熱に影響されない材料であることが好ましい。また、Ｍ個の反射ミラー８０は、高温となる溶融帯４からの熱に影響されない程度に、溶融帯４と離間して配置されることが好ましい。

最大強度Ｉｍａｘもしくは連続する最大強度Ｉｍａｘの上端部の位置をＺＵとし、最大強度Ｉｍａｘの上方向の５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置をＺ２とすると、
３ｍｍ≧Ｚ２−ＺＵ≧０ｍｍ
を満たすＺ方向の上方向の照射強度分布になるように５個の反射ミラーの５本の加熱レーザ光３に対する角度、上部位置の高さが調整できる。

なお、単結晶育成装置１００は、Ｍ個の調整部として、Ｍ個の反射ミラー８０の代わりに、Ｍ本の加熱レーザ光３を吸収するＭ個の吸収材料を用いてもよい。この場合、単結晶育成装置１００は、Ｍ個の吸収材料の吸収量および高さを調整することにより、Ｚ軸方向における照射強度分布の非対称形状を調整してよい。

図１１は、実施例２に係る加熱レーザ光３のＺ軸方向の照射強度分布を示す。本例では、Ｚ軸方向の照射強度分布と、Ｘ軸方向の照射強度分布のそれぞれを示す。図１１において、Ｚ＝０は最大強度Ｉｍａｘの位置である。

上部の５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置Ｚ２は３ｍｍである。溶融帯４の高さＨ＝４ｍｍの場合、溶融帯４の上端部はＨ＝４ｍｍの半分のＺ＝２ｍｍである。溶融帯４の上端部から１ｍｍの上方向の位置で照射強度はＩｍａｘの５０％の急峻な照射強度となる。上部の１０％照射強度（０．１×Ｉｍａｘ）の位置Ｚ２'は４ｍｍである。この結果、溶融帯４の上端部から２ｍｍの上方向の置で照射強度はゼロとなる。原料棒１の下端部がこのような温度勾配で急冷できることから、原料棒１への溶融液の吸い込みを抑制する。

一方、下部側の５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置Ｚ１は−６ｍｍである。溶融帯４の高さＨ＝４ｍｍの場合、溶融帯４の下端部は−２ｍｍである。この結果、結晶棒２において、６−２＝４ｍｍのＺ軸の溶融帯４の下端部から４ｍｍの結晶棒２の部位で照射強度はＩｍａｘの５０％の照射強度を有する。結晶成長速度が４ｍｍ／時間の場合、この間の冷却時間は１時間となる。下部側の１０％照射強度（０．１×Ｉｍａｘ）の位置Ｚ１'は−６ｍｍである。溶融帯４の高さＨ＝４ｍｍの場合、溶融帯４の下端部は−１２ｍｍである。この結果、結晶棒２において、１２−２＝１０ｍｍのＺ軸の溶融帯４の下端部から１０ｍｍの結晶棒２の部位でのＭ本の加熱レーザ光３の照射強度はＩｍａｘの１０％の照射強度を有する。結晶成長速度が４ｍｍ／時間の場合、この間の冷却時間は２．５時間となる。結晶成長速度を２ｍｍ／時間とすれば、この冷却時間は５時間である。結晶棒２の上端部がこのような温度勾配で徐冷できることから、結晶棒２への残留熱歪を抑制する。

［実施例３］
図１２は、実施例３に係る反射ミラー８０の下部配置の一例を示す。図１３は、実施例３に係る加熱レーザ光３の下部配置の場合の照射強度分布を示す。図１３では、Ｚ軸方向の照射強度分布と、Ｘ軸方向の照射強度分布とを示す。Ｘ軸方向の長さ１０ｍｍ、Ｚ軸方向の長さ１０ｍｍの矩形形状で、この矩形形状の照射強度分布は均一なトップハット形状の照射強度分布を有する加熱レーザ光３の下部にミラーを配置する。Ｚ軸方向の上端部照射形状はもともとのトップハット照射強度分布に従い直線状の急峻な減少を実現する。高さ約４ｍｍ幅で略均一な強度分布を有し、その後６ｍｍの高さにわたって、なだらかに照射強度が減少する。Ｘ方向の照射強度分布は１０ｍｍの均一な照射強度を有する。Ｍ個の反射ミラー８０をＭ本の加熱レーザ光３の下部に配置し、光の回折効果を利用することによりＺ軸の下方向になだらかな照射強度分布を実現できる。

［実施例４］
図１４は、調整前の照射強度分布の一例を示す。本例のレーザ照射ヘッド５０は、Ｚ軸調整用レンズ３８およびＸ軸調整用レンズ３９を備える。Ｚ軸調整用レンズ３８およびＸ軸調整用レンズ３９は、加熱レーザ光３の照射強度分布を調整するための調整用レンズの一例である。本例のレーザ照射ヘッド５０は、Ｚ軸調整用レンズ３８をＭ本の加熱レーザ光３の光軸より下方向にずらしてコマ収差を発生させる。これにより、レーザ照射ヘッド５０は、Ｚ軸方向における照射強度分布の非対称形状を調整する。例えば、本例のレーザ照射ヘッド５０は、照射強度分布の下方向の傾斜が緩やかになるように調整する。

Ｚ軸調整用レンズ３８は、Ｚ軸方向に曲率を有する。レーザ照射ヘッド５０は、Ｚ軸調整用レンズ３８の位置を調整することにより、加熱レーザ光３の形状を調整できる。例えば、レーザ照射ヘッド５０は、Ｚ軸調整用レンズ３８の位置を制御することにより、Ｚ軸方向における照射強度分布の非対称形状を調整する。図１４のグラフは、１枚のＺ軸調整用レンズ３８の光軸を下方向にシフトした場合に得られる加熱レーザ光３の照射強度分布を示す。即ち、加熱レーザ光３の光軸に対してＺ軸調整用レンズ３８の光軸を平行に下方向にシフトする。Ｚ軸方向の上端部照射形状は直線状の急峻な減少を実現する。Ｚ軸のＺ＝−８ｍｍにわたって、なだらかに照射強度が減少する。

図１５は、（Ｘ，Ｚ）面での照射強度のシミュレーション図を示す。図１５のグラフは、Ｚ軸方向の加熱レーザ光３の照射強度（％）およびＸ軸方向の加熱レーザ光３の照射強度（％）を示す。Ｘ軸方向の加熱レーザ光３の照射強度（％）は、±４ｍｍの幅で略均一な照射強度を有する。

Ｘ軸調整用レンズ３９は、Ｘ軸方向に曲率を有する。これにより、レーザ照射ヘッド５０は、Ｘ軸方向の略均一な照射強度を有する照射強度分布になるように調整できる。

実施例４は、反射ミラー８０を用いることなく、レーザ照射ヘッド５０を構成する複数のレンズの配置を変更することにより、予め定められたＺ軸方向の照射強度分布を実現できる。また、複数のレンズを交換することなく、複数のレンズの位置を調整することにより照射強度分布の下方向の傾斜を調整できる。

［実施例５］
図１６は、Ｚ軸方向の照射強度分布の調整方法の一例を示す。本例のレーザ照射ヘッド５０は、複数の調整用レンズのうち１枚もしくは複数枚の調整用レンズのＺ軸とＭ本の加熱レーザ光３の光軸とのなす角を鋭角とするように、複数の調整用レンズのうち１枚もしくは複数枚の調整用レンズのＺ軸を回転させる。コマ収差を発生させることにより、第１の照射強度分布の非対称形状を調整する。これにより、レーザ照射ヘッド５０は、Ｚ軸方向における照射強度分布の非対称形状を調整する。例えば、本例のレーザ照射ヘッド５０は、照射強度分布の下方向の傾斜が緩やかになるように調整する。

Ｘ軸調整用レンズ３９は、Ｘ軸方向に曲率を有する。これにより、レーザ照射ヘッド５０は、Ｘ軸方向の略均一な照射強度を有する照射強度分布になるように調整できる。

実施例５は、反射ミラー８０を用いることなく、レーザ照射ヘッド５０を構成する複数のレンズの配置を変更することにより、予め定められたＺ軸方向の照射強度分布を実現できる。また、複数のレンズを交換することなく、複数のレンズの位置を調整することにより照射強度分布の下方向の傾斜を調整できる。

［実施例６］
図１７は、Ｚ軸方向の照射強度分布の調整方法の一例を示す。本例の加熱レーザ光３の光軸をレーザ照射ヘッド５０の光軸に対して下方向に傾けて入射し、コマ収差を発生させることにより、第１の照射強度分布の非対称形状を調整する。これにより、レーザ照射ヘッド５０は、Ｚ軸方向における照射強度分布の非対称形状を調整する。例えば、本例のレーザ照射ヘッド５０は、照射強度分布の下方向の傾斜が緩やかになるように調整する。

Ｘ軸調整用レンズ３９は、Ｘ軸方向に曲率を有する。これにより、レーザ照射ヘッド５０は、Ｘ軸方向に略均一な照射強度分布を有するように調整できる。

実施例６は、反射ミラー８０を用いることなく、レーザ照射ヘッド５０を構成する複数のレンズの配置を変更することにより、予め定められたＺ軸方向の照射強度分布を実現できる。また、複数のレンズを交換することなく、複数のレンズの位置を調整することにより照射強度分布の下方向の傾斜を調整できる。

本例の単結晶育成装置１００は、溶融帯４から原料棒１への吸い込みを抑制することにより、溶融帯４の直径の狭幅化や原料棒１の直径の増大を抑制し、溶融帯４を安定化させる。また、本例の単結晶育成装置１００は結晶棒２への残留熱歪を緩和させ、クラックフリーで、良質な物性特性の単結晶を提供できる。

なお、図１４から図１７で示したＺ軸調整用レンズ３８は、シリンドリカルレンズ又は複数のレンズ群で構成されてよい。

本例の単結晶育成装置１００は、溶融帯４から原料棒１への吸い込みを抑制することにより、溶融帯４の直径の狭幅化や原料棒１の直径の増大を抑制し、溶融帯４を安定化させる。また、本例の単結晶育成装置１００は結晶棒２への残留熱歪を緩和させ、クラックフリーで、良質な物性特性の単結晶を提供できる。

なお、本明細書において、実施例２および３において、Ｍ個の調整部としてＭ個の反射ミラー８０を用いる場合について説明した。但し、単結晶育成装置１００は、Ｍ本の加熱レーザ光３の照射強度分布を調整できるものであれば、任意の調整部を用いてよい。例えば、単結晶育成装置１００は、原料棒１の近傍にスリットが設けられた透過防止用材料をＭ個の調整部として備える。また、単結晶育成装置１００は、凹凸形状の反射鏡を用いたホログラム法により、Ｍ本の加熱レーザ光３の照射強度分布を調整してよい。さらに、単結晶育成装置１００は、Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０内に光路差を設け、反射鏡を用いた干渉法により、照射強度分布を調整してよい。

また、実施例４〜５において調整部を用いることなく照射ヘッドのレンズの配置を設計することによりＭ本の加熱レーザ光３のＺ軸方向の照射形状を非対称照射形状分布にする方法を述べた。また、実施例６において調整部を用いることなく加熱レーザ光３の光軸をレーザ照射ヘッド５０のレンズの光軸から下方向に傾けて配置することにより、Ｍ本の加熱レーザ光３のＺ軸方向の照射形状を非対称照射形状分布にする方法を述べた。これらの方法は調整部を使わない、また、Ｍ本の加熱レーザ光３を反射しないことからＭ本の加熱レーザ光３のロスを小さくできる点で優れる。

以上説明したように、単結晶育成装置１００は、次の特徴を有するＭ本の加熱レーザ光３を生成して原料棒１および結晶棒２に照射する。

（１）単結晶育成装置１００は、Ｚ軸方向において、結晶棒２の上端部の照射強度分布が緩やかに減少するＭ本の加熱レーザ光３を生成する。

（２）単結晶育成装置１００は、Ｚ軸方向において、原料棒１の下端部の照射強度分布が急峻に減少するＭ本の加熱レーザ光３を生成する。

（３）単結晶育成装置１００は、Ｚ軸方向において、結晶棒２の上端部の照射強度分布が緩やかに減少するＭ本の加熱レーザ光３を生成し、原料棒１の下端部の照射強度分布が急峻に減少するＭ本の加熱レーザ光３を生成する。単結晶育成装置１００は、簡便に照射強度分布を調整できるＭ個のレーザ照射ヘッド５０を備えてよい。

（４）単結晶育成装置１００は、Ｚ軸方向において、結晶棒２の上端部の照射強度分布が緩やかに減少するＭ本の加熱レーザ光３を生成し、原料棒１の下端部の照射強度分布が急峻に減少するＭ本の加熱レーザ光３を生成する。単結晶育成装置１００は、簡便に照射強度分布を調整できるＭ個の反射ミラー８０を備えてよい。
（５）Ｍ本の光ファイバ４０は、円形断面形状を有するファイバで上記（１）〜（４）の照射強度分布のＭ本の加熱レーザ光３を生成できる。原料棒１の中心軸方向であるＺ軸方向かつ径（Ｘ方向もしくはＲ方向）方向が略均一の照射強度分布を有する加熱レーザ光は、高価な矩形断面の矩形ファイバを必要とする。円形ファイバは安価であるので、コストダウンのメリットも大きい。

（６）Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０は、上記（１）〜（４）の照射強度分布を、少ないレンズ枚数で調整できる。これにより、Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０のコストが低減される。また、Ｍ個のレーザ照射ヘッド５０のサイズが小さくなり、単結晶育成装置１００の装置サイズも小さくできる。例えば、単結晶育成装置１００の装置サイズは、従来の装置サイズ幅１４００ｍｍ、奥行き１６００ｍｍに対して、幅１１００ｍｍ、奥行き１１００ｍｍ程度になる。

（７）単結晶育成装置１００は、溶融帯４の半径０．５ｍｍφ程度の小さな領域の温度を結晶成長中にモニターできる。これにより、溶融帯４の温度を精度よく制御でき、単結晶を安定して成長させるための技術を提供する。また、成長中の結晶棒２の上端部の領域の温度を結晶成長中にモニターできる。この結果、単結晶成長時の溶融温度設定の再現性を確保でき、結晶棒２の冷却速度をモニターでき、高品質の単結晶作製への重要な生産技術が提供される。

（８）Ｍ本の加熱レーザ光３は、２台の電源１０と１台のレーザ光分割装置３０で形成される。従来の装置では５本の加熱レーザ光３のために、５台の電源、５台のレーザ光源が必要である。５台のレーザ光源への５本の冷却水の供給が必要である。１台のレーザ光分割装置３０を有する単結晶育成装置１００の場合、電源１０は２台でよい。本体レーザを大きなワット数の半導体レーザを１個用意すればよい。この結果、１台当たり数百万円する高価なレーザ光源のコストを低減できる。半導体レーザには水冷機構や乾燥エアーが必要である。５台のレーザ光源への冷却水は５本の配水、５本の戻り水流量調整などの複雑な調整が不要となる。特に戻り水の温度を５台のダイオードで個別に制御できない。５台のレーザ光源を個別に温度制御するには５台のチラーが必要になってしまう。レーザ光源の冷却温度の精度が確保できないことはレーザ光の出力強度の安定性、再現性に大きな影響を与える。レーザ光を発生する半導体ダイオードの温度による出力強度依存性は大きいことによる。レーザ光源の付着水を防止するための乾燥ガスの複雑な配管も必要なくなる。このように、必要な周辺装置の個数を激減でき、大きなコストメリットをもたらす。単結晶育成装置１００は、１台のレーザ光源２０の高い温度精度での制御が可能になり、Ｍ本の加熱レーザ光３の照射強度の温度依存性を向上させる。

また、１台のレーザ光分割装置３０により分割する方法は、５本の照射光のばらつきを簡単に抑えられる。５％程度まで調整できる。複数のレーザ光の場合、半導体レーザ特性の個体差が存在する。このため、加熱レーザ光のばらつきを１０％以下に抑えることが困難である。また、ばらつき量は使用時間とともに変化していく。このように、多数個の半導体レーザを用いる場合、特性のばらつきが抑えられず結晶作製に深刻な問題が生じる。いくら原料棒１のＸ軸方向に均一性を確保しても、そもそもの照射強度分布に照射強度のばらつきを低減できない。本例の単結晶育成装置１００は、１台のレーザ光源２０を１台のレーザ光分割装置３０により分割するので、原理的にＭ本の加熱レーザ光３の照射強度のばらつきが生じないばかりでなく経時変化によるばらつきを発生させない。

以上、加熱レーザ光方式の単結晶育成装置１００は、トップハット照射強度の照射強度分布を有する従来のレーザ加熱方式にない特徴を有する。即ち、単結晶育成装置１００は、成長した単結晶への熱歪を大幅に軽減できる。結晶成長時間を考慮しつつ、育成した結晶への冷却時間を制御できることは、単結晶育成に欠かせない技術である。従来のトップハット照射形状の照射強度分布の照射強度分布をもつ加熱レーザ方式は得られた結晶棒２の急速冷却環境を避けられない。結晶棒２への大きな残留ひずみを与えることは自明であり、結晶作製技術の上で大変深刻な問題を抱えている。

加熱レーザ光方式の単結晶育成装置１００は、成長した単結晶への熱歪を大幅に軽減できると同時に、原料棒への溶融液の吸い込み抑制を実現する。これにより、溶融帯の安定性を損なうことなく、成長した単結晶への熱歪を大幅に軽減できる。

本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１・・・原料棒、２・・・結晶棒、３・・・加熱レーザ光、４・・・溶融帯、５・・・レーザ光、６・・・石英管、１０・・・電源、２０・・・レーザ光源、２５・・・ヒートシンク、３０・・・レーザ光分割装置、３１・・・Ｙ方向コリメータ、３２・・・Ｘ方向コリメータ、３３・・・分割ミラー、３６・・・第１集光レンズ、３７・・・第２集光レンズ、３８・・・Ｚ軸調整用レンズ、３９・・・Ｘ軸調整用レンズ、４０・・・光ファイバ、５０・・・レーザ照射ヘッド、６０・・・ダンパ、７０−１・・・放射温度計、７０−２・・・放射温度計、８０・・・反射ミラー、１００・・・単結晶育成装置、５００・・・単結晶育成装置、５０１・・・原料棒、５０２・・・結晶棒、５０３・・・加熱レーザ光、５０４・・・溶融帯、５４０・・・光ファイバ、５５０・・・レーザ照射ヘッド

Claims (37)

1. 鉛直方向を第１方向として、前記第１方向に沿って延伸する原料棒と、
   前記原料棒を中心として放射状に設けられ、前記原料棒にＭ本の加熱レーザ光を照射するＭ個のレーザ照射ヘッドと
   を備え、
   前記加熱レーザ光の光軸に直交する２次元平面における前記Ｍ本の加熱レーザ光の照射強度分布は、前記第１方向において予め定められた第１の照射強度分布を有し、且つ、前記第１方向と直交する第２方向の第２の照射強度分布は略均一の照射強度を有し、
   前記第１の照射強度分布は、最大強度Ｉｍａｘもしくは連続する最大強度Ｉｍａｘの下端部の位置をＺＬとし、最大強度Ｉｍａｘの下方向の５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置をＺ１とすると、
   ＺＬ−Ｚ１≧２ｍｍ
   である
   単結晶育成装置。
2. 前記第１の照射強度分布は、釣り鐘型の照射強度分布を有する
   請求項１に記載の単結晶育成装置。
3. 前記第１の照射強度分布は、直線形型もしくは多角形型の照射強度分布を有する
   請求項１に記載の単結晶育成装置。
4. 前記第１の照射強度分布は、釣り鐘型の照射強度分布の一部と、直線形もしくは多角形型の照射強度分布の一部との組み合わせからなる照射強度分布を有する
   請求項１に記載の単結晶育成装置。
5. 前記第１の照射強度分布は、前記第１方向において、上方向と下方向の照射強度分布が非対称である
   請求項１から４のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
6. 前記第１の照射強度分布は、前記上方向の照射強度が減少する勾配は、前記下方向の照射強度が減少する勾配より大きい
   請求項５に記載の単結晶育成装置。
7. 前記第１の照射強度分布は、
   最大強度Ｉｍａｘもしくは連続する最大強度Ｉｍａｘの上端部の位置をＺＵとし、前記最大強度Ｉｍａｘの上方向の５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置をＺ２とすると、
   ３ｍｍ≧Ｚ２−ＺＵ≧０ｍｍ
   である
   請求項１から６のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
8. 前記Ｍ個のレーザ照射ヘッドと前記原料棒との間に設けられ、前記Ｍ個のレーザ照射ヘッドから照射された前記Ｍ本の加熱レーザ光の照射強度分布を調整するＭ個の調整部を更に備える
   請求項１から７のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
9. 前記Ｍ個の調整部は、前記Ｍ本の加熱レーザ光の少なくとも一部を反射することにより、前記Ｍ本の加熱レーザ光の照射強度分布を調整するＭ個の反射ミラーである
   請求項８に記載の単結晶育成装置。
10. 前記Ｍ個の反射ミラーは、前記第１の照射強度分布の上部もしくは下部に設けられる
    請求項９に記載の単結晶育成装置。
11. 前記Ｍ個の調整部は、前記Ｍ本の加熱レーザ光の少なくとも一部を吸収することにより、前記Ｍ本の加熱レーザ光の照射強度分布を調整するＭ個の吸収材料である
    請求項８に記載の単結晶育成装置。
12. 前記Ｍ個の吸収材料は、前記第１の照射強度分布の上部もしくは下部に設けられる
    請求項１１に記載の単結晶育成装置。
13. 前記Ｍ個のレーザ照射ヘッドは、奇数個からなる
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
14. 前記Ｍ個の調整部は、奇数個からなる
    請求項８から１２のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
15. １本のレーザ光を照射する１台のレーザ光源と、
    前記１本のレーザ光をＭ本に分割する１台のレーザ光分割装置と、
    前記１台のレーザ光分割装置から入射した前記Ｍ本のレーザ光をＭ本の加熱レーザ光として出射するＭ本の光ファイバと
    を備え、
    前記Ｍ本の光ファイバからの前記Ｍ本の加熱レーザ光を予め定められた照射強度分布に成形する前記Ｍ個のレーザ照射ヘッドは、Ｍ＞１である
    請求項１から１４のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
16. 前記Ｍ個のレーザ照射ヘッドは複数のレンズを備える
    請求項１から１５のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
17. 前記複数のレンズは、Ｚ軸方向に曲率のある１又は複数のレンズを有し、
    前記Ｍ本の加熱レーザ光の光軸を前記Ｚ軸方向に曲率のある１又は複数のレンズの光軸に対して下方向に傾けて入射する光軸配置として、コマ収差を発生させることにより、前記第１の照射強度分布の非対称形状を調整する
    請求項１６に記載の単結晶育成装置。
18. 前記複数のレンズは、Ｚ軸方向に曲率のある１又は複数の調整用レンズを有し、
    前記複数のレンズは、前記１又は複数の調整用レンズの位置を制御することにより、前記第１の照射強度分布の非対称形状を調整する
    請求項１６に記載の単結晶育成装置。
19. 前記複数のレンズは、前記１又は複数の調整用レンズの光軸を前記Ｍ本の加熱レーザ光の光軸より前記下方向にずらしてコマ収差を発生させることにより、前記第１の照射強度分布の非対称形状を調整する
    請求項１８に記載の単結晶育成装置。
20. 前記複数のレンズは、前記１又は複数の調整用レンズのＺ軸と前記Ｍ本の加熱レーザ光の光軸とのなす角を鋭角とするように、前記１又は複数の調整用レンズのＺ軸を回転させ、コマ収差を発生させることにより、前記第１の照射強度分布の非対称形状を調整する
    請求項１８に記載の単結晶育成装置。
21. 前記複数の調整用レンズは、シリンドリカルレンズ又は複数のレンズ群である
    請求項１８から２０のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
22. 前記Ｍ本のレーザ照射ヘッドは、
    結晶の成長速度をＳとし、
    前記第１方向の釣り鐘型の照射強度分布において、照射強度が最大値の１０％となる幅をＺ_０とし、前記原料棒が溶融した溶融帯の前記第１方向の高さをＨとしたとき、
    （Ｚ_０−Ｈ）／２≧Ｓ
    を満たすように前記複数のレンズを配置する
    請求項１６から２１のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
23. 前記Ｍ個のレーザ照射ヘッドは、
    前記Ｍ本の加熱レーザ光の前記第２方向の略均一の照射強度分布の幅をＬとし、
    前記原料棒の直径をＤとしたとき、
    Ｌ≧Ｄ
    を満たすように前記複数のレンズを配置する
    請求項１６から２２のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
24. 前記レーザ光分割装置は、
    前記１台のレーザ光源からの前記１本のレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
    前記１本のレーザ光をＭ本のレーザ光に分割する複数の分割ミラーと、
    前記Ｍ本のレーザ光を前記Ｍ本の光ファイバに集光する集光レンズと
    を有する請求項１５に記載の単結晶育成装置。
25. 前記原料棒が溶融した溶融帯から発光する輻射光強度を計測することにより、前記溶融帯の温度を計測する放射温度計を更に備え、
    前記Ｍ本の加熱レーザ光の照射強度を、Ｎ＜Ｍを満たすように設けられたＮ台の電源の出力により制御する
    請求項１から２４のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
26. 前記原料棒から育成した結晶棒から発光する輻射光強度を計測することにより、前記結晶棒の温度を計測する放射温度計を更に備え、
    前記放射温度計の計測温度に基づいて、前記Ｍ個の調整部を調整する
    請求項８から１４のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
27. 前記Ｍ本の光ファイバの断面形状は、円形断面形状、楕円断面形状、矩形状およびこれらの形状を組み合わせた形状の少なくとも１つの組み合わせからなる長円形断面形状を有する
    請求項１から２６のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
28. 前記加熱レーザ光の光軸に直交する２次元平面における前記Ｍ本の加熱レーザ光の照射強度分布の形状は、円形状、楕円形状、矩形状およびこれらの形状の一部を組み合わせた形状の少なくとも１つの形状を含む長円形状を有する
    請求項１から２７のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
29. 鉛直方向に延伸する原料棒を用意し、
    前記原料棒を中心として放射状に設けられたＭ個のレーザ照射ヘッドを用いて、前記原料棒にＭ本の加熱レーザ光を照射し、
    前記加熱レーザ光の光軸に直交する２次元平面における前記Ｍ本の加熱レーザ光の照射強度分布は、前記鉛直方向を第１方向として、予め定められた第１の照射強度分布を有し、且つ、前記第１方向と直交する第２方向の第２の照射強度分布は略均一の照射強度を有し、
    前記第１の照射強度分布は、最大強度Ｉｍａｘもしくは連続する最大強度Ｉｍａｘの下端部の位置をＺＬとし、最大強度Ｉｍａｘの下方向の５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置をＺ１とすると、
    ＺＬ−Ｚ１≧２ｍｍ
    である
    単結晶の育成方法。
30. 前記第１の照射強度分布は、上方向の照射強度減少する勾配は、前記下方向の照射強度減少する勾配より大きい
    請求項２９に記載の単結晶の育成方法。
31. 前記第１の照射強度分布は、
    最大強度Ｉｍａｘもしくは連続する最大強度Ｉｍａｘの上端部の位置をＺＵとし、前記最大強度Ｉｍａｘの上方向の５０％照射強度（０．５×Ｉｍａｘ）の位置をＺ２とすると、
    ３ｍｍ≧Ｚ２−ＺＵ≧０ｍｍ
    である
    請求項２９又は３０に記載の単結晶の育成方法。
32. 前記Ｍ個のレーザ照射ヘッドが有する複数のレンズの間隔および焦点距離を調整することにより、前記第１の照射強度分布の形状および照射強度を調整する
    請求項２９から３１のいずれか一項に記載の単結晶の育成方法。
33. 前記Ｍ個の調整部が有するＭ個の反射ミラーの入射角度および高さを調整することにより、前記第１の照射強度分布の非対称形状を調整する
    請求項２９から３２のいずれか一項に記載の単結晶の育成方法。
34. 前記Ｍ個の調整部が有するＭ個の吸収材料の吸収量および高さを調整することにより、前記第１の照射強度分布の非対称形状を調整する
    請求項２９から３３のいずれか一項に記載の単結晶の育成方法。
35. 前記Ｍ個のレーザ照射ヘッドならびに前記Ｍ個の調整部は、
    結晶棒の移動速度の増加に応じて、前記第１の照射強度分布における前記下方向の照射強度分布の勾配を小さくし、
    前記結晶棒の移動速度の低下に応じて、前記第１の照射強度分布における前記下方向の照射強度分布の勾配を大きくする
    請求項２９から３４のいずれか一項に記載の単結晶の育成方法。
36. 前記原料棒が溶融した溶融帯から発光する輻射光強度を計測し、
    計測した前記輻射光強度に応じて、前記Ｍ本の加熱レーザ光を照射するために、Ｎ＜Ｍを満たすように設けられたＮ台の電源の入力電力を制御する
    請求項２９から３５のいずれか一項に記載の単結晶の育成方法。
37. 結晶棒から発光する輻射光強度を計測し、
    計測した前記輻射光強度に応じて、前記Ｍ本の加熱レーザ光の下方向の照射強度分布を調整するために、Ｍ個の調整部を制御する
    請求項２９から３６のいずれか一項に記載の単結晶の育成方法。