JP5181396B2 - 単結晶育成装置および単結晶育成方法 - Google Patents
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Description
(i)坩堝を使用せずに試料の溶融が行なえること
(ii)雰囲気ガスを任意に選べること
(iii)浮遊帯域法を利用して種々の組成の単結晶育成が行なえること
(iv)浮遊帯域徐冷法による相平衡研究が行なえること
(v)比較的少ない電力で高温度が容易に得られること
等の利点があり、単結晶の育成や相平衡の研究などのために広く利用されている。
すなわち、従来のランプ式溶融帯域法による結晶育成の場合には、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の光を楕円面鏡で反射させて集光域を形成し、そこに上側から垂直に吊り下げられた原料棒の下部と下側にセットされた種子結晶の上側をさらして加熱溶解し、両者を結合して溶融帯域を形成してから順次、原料棒および種子結晶、もしくはランプからの赤外線集光部を移動させて原料の溶解、および単結晶の育成を行っている。赤外線ランプの発光部はたとえばハロゲンランプの場合にはフィラメントを使用しているので、集光域の大きさ、温度分布はフィラメントの形状、大きさおよび楕円面鏡の離芯率、および大きさなどによって変化し、一般的にはフィラメントの大きさの数倍から十数倍の大きさになっている。そして、その中心部に最高光密度部が形成され周辺になだらかに光密度が低減している。
また、溶融部とそうでない部分との温度勾配を急峻化し、固液共存領域の形成を極限まで最小化することにより安定した溶融域を形成できる方策が種々講じられてきている。しかしながら、満足な結果が得られないケースが多発している。
例えば、特許文献1には、単結晶を育成するに際し、原料棒に直接照射するレーザ光源を主加熱源とするとともに、補助加熱源として抵抗発熱体を用いて単結晶育成条件の最適化および再現性が図られている。
このように、種々の提案がなされているものの、従来例のものは磁場付与手段或いは補助加熱手段などの構成要素が必要になるとともに、構造が複雑、保守点検も煩雑で、満足な結果が得られていない。
上結晶駆動軸に支持された原料棒と、下結晶駆動軸に支持された種結晶棒と、前記原料棒と前記種結晶棒との接触部分を加熱する前記加熱手段とを有し、前記加熱手段により前記原料棒と前記種結晶棒との接触部分を融解させることにより単結晶育成部となる溶融帯域を形成して単結晶を育成する単結晶育成装置において、
前記加熱手段は、個々が同等の照射強度のレーザ光を出射する複数のレーザ光源と、個々の前記レーザ光源にそれぞれ配設され当該レーザ光源から出射されたレーザ光を前記溶融帯域へ照射する複数の光学手段とから構成されるとともに、前記溶融帯域の円周方向に配設され、
前記光学手段は、ライトパイプまたは矩形ファイバのいずれかを使用することにより出射光強度が均一となるホモジナイザとし、これにより、前記溶融帯域における前記レーザ光のスポット形状を当該溶融帯域の径方向且つ軸方向のレーザ強度分布が略均一な矩形形状とすることを特徴としている。
前記溶融帯域の径方向かつ軸方向のレーザ強度分布が、ライトパイプまたは矩形ファイバのいずれかを使用することにより、略均一な矩形形状であり、且つそれぞれが同等の照射強度である複数のレーザ光を、前記溶融帯域の円周方向から当該溶融帯域に照射することを特徴としている。
レーザ光は途中散乱することなく溶融帯域に導かれ、溶融帯域の全周を均一に効率良く加熱し、溶融帯域以外の固体部分は十分に低温に保たれ、溶融帯域と固体の濡れが小さくなり、安定した溶融帯域を形成できる。加えて、レーザ光の強度の軸方向分布を略均一な矩形形状とし、その立ち上がりおよび立ち下りを早くすることで、固体部分への浸透(部分融解)も少なく、かつ固化部分への垂れもなく、安定して良質な単結晶を育成できる。
さらに、レーザ光は集光性が良いので、加熱効率が大きいという利点もある。
図1は本発明の一実施例による単結晶育成装置の要部を示す概略平面図である。図2は図1に示した一実施例の単結晶育成装置と、棒状試料にレーザ光を照射した場合に生じる溶融帯域のレーザ光の軸方向強度分布との関係を示した概略図である。
また、本発明では、光学手段としてのライトパイプ6a、…6eを介在させることにより、溶融帯域18の径方向かつ軸方向のレーザ強度分布を略均一な矩形状とし、その矩形形状のレーザ強度分布の幅を任意に可変できるように設定されている。
なお、以下の説明では、本発明に係るレーザ光源により溶融帯域を形成するFZ装置をレーザ炉、従来のようにハロゲンランプおよび回転楕円鏡を用いて溶融帯域を形成するFZ装置をハロゲンランプ炉として記載する。
先ず、本実施例における棒状試料4の周方向のレーザ光線の集光強度分布について説明する。
(1)先行出願と同様に、光源を複数個用い、特に奇数個用いる。
(2)均一ビームの幅を棒状試料よりも広くしておく。
この(1)、(2)の2つの条件が必須である。
図1に示したファイバカップリング式の各半導体レーザ2a、…2eからのレーザ光が棒状試料4に照射されると、棒状試料4の表面の夫々の強度分布は、光が照射されている部分では、通常正弦関数で変化し、照射されていない部分で零になる。これらの和として得られる棒状試料4の表面の全体の強度分布は、周期360度の正弦関数の最大値付近が繰り返される脈動する周期関数となる。
先ず、従来例であるハロゲンランプ炉の場合について、図3を用いて説明する。溶融帯域18付近の光の軸方向強度分布をガウス分布で近似すると、図3の右側のグラフに示したように、標準偏差の大きい分布を示す。これは、図2の右側のグラフに示したレーザ炉の場合に比べて大きい。したがって、ハロゲンランプ炉の場合は、原料棒14への浸透の範囲が軸方向に長く当該部分を膨張させるとともに、結晶棒16への垂れの原因にもなる。
先ず、図1に示した本実施例で使用したライトパイプ6a、…6eの基本的な作動を図6により説明する。
例えば、図6に示したように、ライトパイプ6a、…6eの先方に、焦点距離f1のコリメートレンズ22を配置し、さらにその先方に焦点距離f2の集光レンズ24を配置した場合に、集光レンズ24の焦点距離f2を大きくすれば、矩形の範囲を広げることができる。また、これと反対にコリメートレンズ22の焦点距離f1を短くすれば、矩形の範囲を広げることが可能である。
例えば、図13(A)に示したように、矩形形状の面光源を形成するライトパイプ6a、…6eにおいて、2つの分割体から構成される断面形状を、正方形状から長方形状に変更することにより、径方向の幅Tあるいは軸方向の幅Sを変更することができる。また、図13(B)に示したように、互いに隣接しあう分割体の接合位置を調整することによっても変更が可能である。
さらに、レーザ光の径方向の幅Tを棒状試料4の直径より大きくすることで、棒状試料4の中心軸が回転軸から左右にずれてもレーザビームスポット26の幅の範囲内であれば加熱強度分布の変動は全くなく、結晶育成を容易にすることができる。従来のランプ加熱式、あるいは公知のレーザ加熱式では、試料の中心軸の回転軸からのずれに対する許容度が小さく、わずかなずれでも温度降下が起こるという問題点があった。本発明の方式を用いれば、精密な位置合わせは不要となり、効果的である。さらに、図2に示したレーザ光の軸方向の幅Sを変更できるため、結晶育成中に原料棒14と結晶の溶融帯域18内部での接触を防止したり、溶融帯域18の表面張力に適した長さに調整して融液の垂れを防止したりできる。
La2O3とCuOをモル比が1:1で秤量し、乳鉢で均一な粉状になるまで磨り潰す。これをアルミナ製の容器に入れ、1000℃で仮焼する。そして、静水圧でラバープレスして成形し、1260℃で焼結して直径5mmの丸棒にする。この丸棒から長さ60mmと長さ30mmの丸棒を切断作成し、前者を原料棒14、後者を種結晶棒16として用いる。
La203とCuOをモル比が1:1で秤量し、乳鉢で均一な粉状になるまで磨り潰す。これをアルミナ製の容器に入れ1000℃で仮焼する。そして、静水圧でラバープレスして成形し、1260℃で焼結して直径5mmの丸棒にする。この丸棒から長さ9mmと長さ9mmの丸棒を切断作成し、前者を原料棒14、後者を種結晶棒16として用いる。
図7(A)に本発明によるレーザ炉の溶融帯域を、図7(B)にその育成結晶棒の写真を示す。
図7(A)、(B)から明瞭なように、本発明のレーザ炉の場合は溶融帯域18と原料棒14と種結晶棒16との境界が明瞭で、原料棒14への浸み込みも殆どなく、原料棒14からの固化部分への垂れもなく、一定の直径で安定して良質な単結晶が育成できることが確認された。
図9は本発明に係る単結晶育成装置の他の実施例を示したもので、上記実施例と同一要素は同一符号を付して詳細な説明を省略する。
また、この他の実施例では、アレイ半導体レーザ28a、…28eとライトパイプ6a、…6eとの間に、コリメートレンズ22と集光レンズ24とが介在され、さらにライトパイプ6a、…6eと、図示しない棒状試料との間に、コリメートレンズ22が介在されている。
このさらに他の実施例の装置では、図11では図示されていない上結晶駆動軸8、下結晶駆動軸12の円周方向の同一面内に配設されたアレイ半導体レーザ28a、28b、28c、28d、28eのレーザ光を、棒状試料4に対して斜めに照射する。
また、これに加えて、レーザ光源と光学手段とからなる加熱手段の上下動を用いても良く、さらにはこれらを組み合わせても良い。さらに、種結晶を用いるのが理想であるが、代わりに多結晶試料を用いることも可能である。
図12に示したように、光ファイバ15は、その内部が円形コア16aに矩形コア16bが接続された構造を有している。該矩形コア16bの出力端面は矩形形状に形成されている。そして、円形コア16aを介して伝播するレーザ光線は矩形コア16bの内部で反射を繰り返し矩形形状に均一化される。
4 棒状試料
6a、6b、6c、6d、6e ライトパイプ
8 上結晶駆動軸
9a 立ち上がり部
9b 立ち下がり部
10 単結晶育成装置
12 下結晶駆動軸
14 原料棒
15 光ファイバ
16 種結晶棒
16a 円形コア
16b 矩形コア
18 溶融帯域
20 光ファイバ
22 コリメートレンズ
24 集光レンズ
26 レーザビームスポット
28a,28b,28c,28d,28e アレイ半導体レーザ
S 軸方向の幅
T 径方向の幅
Claims (5)
- 上結晶駆動軸に支持された原料棒と、下結晶駆動軸に支持された種結晶棒と、前記原料棒と前記種結晶棒との接触部分を加熱する前記加熱手段とを有し、前記加熱手段により前記原料棒と前記種結晶棒との接触部分を融解させることにより単結晶育成部となる溶融帯域を形成して単結晶を育成する単結晶育成装置において、
前記加熱手段は、個々が同等の照射強度のレーザ光を出射する複数のレーザ光源と、個々の前記レーザ光源にそれぞれ配設され当該レーザ光源から出射されたレーザ光を前記溶融帯域へ照射する複数の光学手段とから構成されるとともに、前記溶融帯域の円周方向に配設され、
前記光学手段は、ライトパイプまたは矩形ファイバのいずれかを使用することにより出射光強度が均一となるホモジナイザとし、これにより、前記溶融帯域における前記レーザ光のスポット形状を当該溶融帯域の径方向且つ軸方向のレーザ強度分布が略均一な矩形形状とすることを特徴とする単結晶育成装置。 - 前記光学手段は、矩形形状に形成された前記レーザ光の前記溶融帯域の径方向および軸方向の幅を、前記原料棒或いは前記種結晶棒の直径の変化に応じて任意に可変させることを特徴とする請求項1に記載の単結晶育成装置。
- 前記レーザ光源が、レーザダイオードであることを特徴とする請求項1に記載の単結晶育成装置。
- 前記複数のレーザ光源が、3個以上の奇数個設けられていることを特徴とする請求項1に記載の単結晶育成装置。
- 上結晶駆動軸に支持された原料棒と、下結晶駆動軸に支持された種結晶棒との接触部分を加熱して融解させることにより単結晶育成部となる溶融帯域を形成して単結晶を育成する単結晶育成方法において、
前記溶融帯域の径方向かつ軸方向のレーザ強度分布が、ライトパイプまたは矩形ファイバのいずれかを使用することにより、略均一な矩形形状であり、且つそれぞれが同等の照射強度である複数のレーザ光を、前記溶融帯域の円周方向から当該溶融帯域に照射することを特徴とする単結晶育成方法。
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