JP5955575B2

JP5955575B2 - 単結晶育成装置

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Publication number: JP5955575B2
Application number: JP2012023190A
Authority: JP
Inventors: 俊司野口
Original assignee: Canon Machinery Inc
Current assignee: Canon Machinery Inc
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2032-02-06
Also published as: JP2013159524A

Description

本発明は、単結晶育成装置に関するものである。

単結晶を育成する場合、フローティングゾーン式の単結晶育成装置を用いることは従来から知られている（特許文献１および特許文献２）。このような単結晶育成装置５０は、図５及び図６に示すように、対称形の２つの楕円面鏡５１、５２を有し、各々の一方の焦点Ｆ0、Ｆ0（図６参照）が一致するように対向結合させて加熱炉を構成する。この回転楕円面鏡５１、５２の内面、すなわち反射面は、赤外線を高反射率で反射させるために金めっき処理が施されている。各回転楕円面鏡５１、５２の他方の焦点Ｆ1、Ｆ2付近には、加熱源、例えば、ハロゲンランプ等の赤外線ランプ５３、５４が固定配置してある。各回転楕円面鏡５１、５２の一致した焦点Ｆ0には被加熱部５５が位置し、上方から鉛直方向に延びる上結晶駆動軸５６の下端に固定した原料棒５７と、下方から鉛直方向に延びる下結晶駆動軸５８の上端に固定された種結晶棒５９とを突き合わせてある。前記上結晶駆動軸５６および下結晶駆動軸５８は、図示するように、保持部材６０、６１によって気密に保持され、図示しないサーボモータ等の駆動モータで回転自在、かつ、同期または相対速度を有して昇降自在に保持されている。

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

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

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

しかしながら、図５および図６等に示す単結晶育成装置５０における回転楕円面鏡５１、５２では、お互いの焦点を共有する配置となるため、全楕円の形状とはなりえない。このため、楕円を外れた光は原料棒５７および種結晶棒５９が配置された焦点に集まらずに、回転楕円面鏡５１、５２内で反射しているだけである。

例えば、一方の赤外線ランプ５３（又は５４）が配置されていない他方の回転楕円面鏡５２（又は５１）側に直接到達して反射される光（放射熱）は、試料（原料棒５７および種結晶棒５９）の溶融に使用されることが少なく、溶融を望まない部位はもとより、回転楕円面鏡等の試料以外を加熱するエネルギーとなるため、効率良く加熱されると言えない。これは、加熱源と試料溶融部の間の距離、つまり、回転楕円面鏡の焦点間距離が近いため、楕円形の半分程度の反射領域した溶融に利用できないからである。

そこで、このような単結晶育成装置の回転楕円面鏡に、特許文献３に記載のような効率よく集束できる金属反射鏡を用いたり、特許文献４に記載のような反射効率のよい反射リフレクタを用いたり、特許文献４に記載のようなスポット光に色むらを生じないようにするスポットライトを用いたりすることを提案できる。

特許文献３に記載の金属反射鏡は、２つの回転楕円面を有するものであり、特許文献４に記載の反射リフレクタは、楕円反射面と円弧状部とを有するものであり、特許文献５に記載のスポットライトは、３つの楕円形反射鏡を有するものである。

特公昭６３−６２８７３号公報特開２００５−２４７６６８号公報米国特許５６７７９８３号明細書特開平９−１６６８１５号公報特開２０１０−２７４７０７号公報

前記特許文献３、特許文献４、および特許文献５では、これらの反射鏡を、単結晶育成装置に用いることの開示や示唆もない。すなわち、反射鏡自体効率よく反射させるものであっても、単結晶育成装置において、一方の反射鏡からの放射熱の他方の反射鏡への入射を少なくできるものはない。

このため、たとえ、特許文献３や特許文献４に記載のものを単に単結晶育成装置に適用したとしても、光（加熱源）のエネルギーロスを小さくできるように設定できるものではない。

そこで、本発明は斯かる実情に鑑み、光（加熱源）のエネルギーロスを小さくして、効率良く試料溶融することが可能な単結晶育成装置を提供するものである。

本発明の単結晶育成装置は、各々一対の焦点を有しかつ一方の焦点が一致するように配置される一対の反射鏡と、反射鏡の他方の焦点に配置された加熱源とを備え、前記加熱源の放射熱を直接的および反射鏡で反射して、反射鏡の一方の焦点に配置された試料に照射して単結晶を育成する単結晶育成装置において、各反射鏡は、長径をａ１とするとともに、短径をｂ１としたときに、ｂ１／ａ１が扁平楕円となる第１楕円面鏡と、第１楕円面鏡の他方の焦点側に配設される第２楕円面鏡と、第１楕円面鏡と第２楕円面鏡との間に配設される球面鏡とで構成され、一方の焦点に配置される試料を囲繞する囲繞管の中心軸に垂直な平面での断面において、各第１楕円面鏡の交点が、前記囲繞管の中心軸を通り、かつ第１楕円面鏡の短径方向と平行な面上に配置し、第１楕円面鏡の焦点と第２楕円面鏡の焦点とが共通であり、この焦点がこの反射鏡の焦点をなし、球面鏡の中心が前記加熱源が配置される焦点と一致して、球面鏡と第２楕円面鏡とが連続するとともに、第１楕円面鏡と球面鏡との間に段差部が形成され、前記一方の焦点と第１楕円面鏡の段差部側の端縁とを結ぶ直線の延長線上に第２楕円面鏡と球面鏡との連設部があるものである。

本発明の単結晶育成装置によれば、一方の焦点と第１楕円面鏡の段差部側の端縁とを結ぶ直線の延長線上に第２楕円面鏡と球面鏡との連設部があることによって、一方の反射鏡の加熱源からの放射熱の他方の反射鏡への入射が少なくなって、試料溶融のための加熱源からの放射熱のエネルギーロスを少なくすることができる。

第１楕円面鏡において、その長径をａ１とするとともに、短径をｂ１としたときに、ｂ１／ａ１を０．４〜０．９５とするのが好ましい。また、前記囲繞管の中心軸に垂直な平面での断面において、前記囲繞管と第１楕円面鏡との間の最小隙間寸法を、前記囲繞管の外径寸法の８．０％〜１２０％とすることができる。

本発明の単結晶育成装置では、試料溶融のための加熱源からの放射熱のエネルギーロスを少なくすることができ、効率よく試料を溶融することができる。このため、小さい能力の加熱源で、短時間に安定して溶融して単結晶を育成できる。

ｂ１／ａ１を０．４〜０．９５としたり、ａ１／ａ２を０．５〜１．０とするとともに、ｂ１／ｂ２を０．３〜０．８０としたり、一方の焦点と第１楕円面鏡の段差部側の端縁とを結ぶ直線の延長線上に第２楕円面鏡と球面鏡との連設部があるように設定することによって、放射熱のエネルギーロスを少なくできる単結晶育成装置を安定して提供できる。

本発明の単結晶育成装置の簡略断面図である。前記図１の単結晶育成装置の簡略側面図である。前記図１の単結晶育成装置のエネルギーロスを算出するための簡略断面平面図である。前記図１の単結晶育成装置のエネルギーロスを算出するための簡略断面側面図である。従来の単結晶育成装置の簡略断面図である。前記図５のＡ−Ａ線断面図である。前記図５の単結晶育成装置における被加熱部の拡大図である。前記従来の単結晶育成装置のエネルギーロスを算出するための簡略断面平面図である。蒸着物吸着ジャケットを省略した従来の単結晶育成装置のエネルギーロスを算出するための簡略断面側面図である。

以下本発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。

図１と図２に本発明に係る単結晶育成装置を示し、この単結晶育成装置は、各々一対の焦点Ｆ０、Ｆ１、Ｆ０、Ｆ２を有しかつ一方の焦点Ｆ０が一致するように配置される一対の反射鏡１、２と、反射鏡１、２の他方の焦点Ｆ１、Ｆ２に配置された加熱源３、４とを備える。反射鏡１、２の内面で構成される反射面は、赤外線で高反射率で反射させるための金めっき処理等が施されている。

各反射鏡１、２の他方の焦点Ｆ1、Ｆ２付近には、加熱源３、４を構成する一例として、例えば、ハロゲンランプ等の赤外線ランプ３Ａ、４Ａが固定配置してある。各反射鏡１、２の一致した一方の焦点Ｆ０には被加熱部５に配置される試料Ｓ（後述する原料棒７と種結晶棒９との突合部である）とが位置し、この試料５を含むように石英管からなる囲繞管１０が鉛直方向に設置されている。

この囲繞管１０は、囲繞管１０の内方部分ｍ1をそれ以外の反射鏡１、２の内方部分ｍ2と区分することによって、囲繞管１０の内方部分ｍ1を単結晶育成に適する雰囲気に置換し、かつ、その雰囲気状態を維持し易くするものである。一方で、各反射鏡１、２内の内方部分ｍ2の加熱源３、４を、囲繞管１０の内方部分ｍ1内の被加熱部５に影響を与えることなく冷却するのに役立つ。

各反射鏡１、２の一致した焦点Ｆ0に位置する被加熱部５では、上方から鉛直方向に延びる上結晶駆動軸６の下端に固定した原料棒７と、下方から鉛直方向に延びる下結晶駆動軸８の上端に固定された種結晶棒９とを突き合わせている。前記上結晶駆動軸６および下結晶駆動軸８は、図示省略の保持部材によって気密に保持され、図示省略サーボモータ等の駆動モータで回転自在、かつ、同期して、または相対速度を有して昇降自在に保持されている。

上記の単結晶育成装置において、囲繞管１０内の原料棒７の周囲には、円筒状の蒸発物吸着ジャケット１４が配置されている。前記蒸発物吸着ジャケット１４は、耐食性の高いステンレス（例えば、ＳＵＳ３０４）などによって略２重円筒状に形成されており、内部に、冷却媒体が循環する冷却媒体通路１６を有する。冷却媒体の循環によって、蒸発物吸着ジャケット１４を効率良く冷却して、蒸発物質の吸着効果を高めるようにしている。なお、図例の実施形態では、蒸発物吸着ジャケットを原料棒７の周囲のみに配置しているが、種結晶棒９の周囲にも配置してもよい。

ところで、各反射鏡１、２は、第１楕円面鏡２１と、第１楕円面鏡の外径側に配設される第２楕円面鏡２２と、第１楕円面鏡２１と第２楕円面鏡２２との間に配設される球面鏡２３とで形成される。このため、各反射鏡１、２は、複数個（この実施例では４個）のブロック体２５、２６、２７、２８にて構成される。すなわち、ブロック体２５、２６が第１楕円面鏡２１を構成し、ブロック体２８で第２楕円面鏡２２を構成し、ブロック体２７で球面鏡２３を構成することになる。

ブロック体２５、２６は短筒体からなり、ブロック体２５の内径面が第１楕円面鏡２１の短径よりも一方の焦点Ｆ０側を構成し、ブロック体２６の内径面が第１楕円面鏡２１の短径よりも他方の焦点Ｆ１（Ｆ２）側を構成する。この場合、ブロック体２５においては、第１楕円面鏡２１を形成する第１楕円形の長径の一方の焦点Ｆ０側の端部を省略するものであって、ブロック体２６においては、第１楕円面鏡２１を形成する第１楕円形の長径の他方の焦点Ｆ１（Ｆ２）側の端部を省略するものである。

ブロック体２８は、第２楕円面鏡２２を形成する第２楕円形の長径の端部側における円弧面が形成された円盤形状体にて構成される。また、ブロック体２７は、内径面が球面鏡２３を形成する球面を形成する円盤形状体にて構成される。

そして、この４つのブロック体２５、２６、２７、２８を、組み合わせることによって、各反射鏡１、２を形成することができる。このため、ブロック体２５には他方の焦点Ｆ１側の端部に鍔部２５ａが設けられ、ブロック体２６の両端部にてそれぞれ鍔部２６ａ、２６ｂが設けられ、ブロック体２７には、ブロック体２６の鍔部２６ａに対抗（対面）する端部に鍔部２７ｂが設けられている。

ブロック体２５の鍔部２５ａとブロック体２６の鍔部２６ｂとが重ね合わされて、ボルト部材３０にてこれらが固着され、ブロック体２６の鍔部２６ａとブロック体２７の鍔部２７ｂとが重ね合わされて、ボルト部材３０にてこれらが固着される。この場合、ブロック体２５の鍔部２５ａには貫通孔３１が設けられ、ブロック体２６の鍔部２６ｂにねじ孔３２が設けられ、ブロック体２７の鍔部２５ｂには貫通孔３１が設けられ、ブロック体２６の鍔部２６ａにねじ孔３２が設けられている。

また、ブロック体２７の反鍔部側に端面３８と、ブロック体２８の内端面３９とが重ね合わされ、ボルト部材３３にてこれらが固着される。この場合、ブロック体２８に貫通孔３４が設けられ、ブロック体２７の端面３８にねじ孔３５が設けられている。

このため、第１楕円面鏡２１の焦点Ｆ０、Ｆ１（Ｆ０、Ｆ２）と第２楕円面鏡２２の焦点Ｆ０、Ｆ１（Ｆ０、Ｆ２）とが共通であり、この焦点Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２がこの反射鏡の焦点をなし、球面鏡２３の中心Ｏに前記加熱源が配置される焦点Ｆ１(Ｆ２)と一致する。また、球面鏡２３と第２楕円面鏡２２とが連続するとともに、第１楕円面鏡２１と球面鏡２３との間に段差部４０が形成される。そして、一方の焦点に配置される試料Ｓ（原料棒７と種結晶棒９）を囲繞する囲繞管１０と第１楕円面鏡２１との間の最小隙間寸法を、囲繞管１０の外径寸法の８．０％〜１２０％、より好ましくは８．３％〜１１６．７％とする。すなわち、図３に示すように、最小隙間寸法をｔとし、囲繞管１０の外径寸法をＤとしたときに、ｔ／Ｄを０．０８〜１．２とする。

この場合、第１楕円面鏡２１において、その長径をａ１とするとともに、短径をｂ１としたときに、ｂ１／ａ１を０．４〜０．９５、より好ましくは０．４〜０．９２とし、第２楕円面鏡２２において、その長径をａ２とするとともに、短径をｂ２としたときに、ｂ２／ａ２を０．４〜０．９５、より好ましくは０．４〜０．９２とする。また、ｂ１／ｂ２を０．３〜０．８０、より好ましくは０．３〜０．７３とする。さらに、ａ１／ａ２を０．５〜１．０、より好ましくは０．５４〜１．０とし、球面鏡２３の半径をｒとしたときに、ｒ＝ａ１／２程度とする。

図１に示すように、一方の焦点Ｆ０と第１楕円面鏡２１の段差部４０側の端縁４１とを結ぶ直線Ｌの延長線上に第２楕円面鏡２２と球面鏡２３との連設部４２がある。

このように設定することによって、一方の反射鏡１（２）の加熱源３（４）からの放射熱の他方の反射鏡２（１）への入射が少なくなって、試料溶融のための加熱源３（４）からの放射熱のエネルギーロスを少なくすることができる。

すなわち、図３において、一方の反射鏡１の加熱源３からの他方の反射鏡２（１）への入射範囲は、ハッチングで示す範囲である。この場合の入射範囲をθとした場合、エネルギーロスは、２θ／３６０°で演算することができる。例えば、θが１０．２９４°であれば、エネルギーロスは、（２×１０．２９４）÷３６０＝０．０５７＝５．７％となる。

図４において、一方の反射鏡１の加熱源３からの他方の反射鏡２（１）への入射範囲は、ハッチングで示す範囲である。この場合の入射範囲をθ１とした場合、エネルギーロスは、２θ１／３６０°で演算することができる。例えば、θ１が１５°であれば、エネルギーロスは、（２×１５）÷３６０＝０．０８３＝８．３％となる。

これに対して、図５と図６等に示す従来の単結晶育成装置では、一方の回転楕円面鏡５１の加熱源５３（５４）からの放射熱の他方の回転楕円面鏡５２（５１）への入射が多く、試料溶融のための加熱源５３（５４）からの放射熱のエネルギーロスが大きくなっている。

すなわち、図８において、一方の反射鏡１の加熱源３からの他方の反射鏡２（１）への入射範囲は、ハッチングで示す範囲である。この場合の入射範囲をαとした場合、エネルギーロスは、２α／３６０°で演算することができる。例えば、αが４１．１３４°であれば、エネルギーロスは、（２×４１．１３４）÷３６０＝０．２２９＝２２．９％となる。なお、図８においては、上結晶駆動軸５６の周囲には蒸発物吸着ジャケット６４が配置されている。

図９において、一方の反射鏡１の加熱源３からの他方の反射鏡２（１）への入射範囲は、ハッチングで示す範囲である。この場合の入射範囲をα１とした場合、例えば、α１が４６０°であれば、エネルギーロスは、（２×６０）÷３６０＝０．３３３＝３３．３％となる。

ｂ１／ａ１を０．４〜０．９５としたり、ａ１／ａ２を０．５〜１．０とするとともに、ｂ１／ｂ２を０．３〜０．８０としたり、一方の焦点Ｆ０と第１楕円面鏡２１の段差部４０側の端縁４１とを結ぶ直線Ｌの延長線上に第２楕円面鏡２２と球面鏡２３との連設部４２があるように設定することによって、放射熱のエネルギーロスを少なくできる単結晶育成装置を安定して提供できる。

前記実施形態のように、反射鏡１（２）を複数個のブロック体を構成することによって、第１楕円面鏡２１と第２楕円面鏡２２と球面鏡２３とからなる反射鏡１（２）を精度よく安定して製造することができる。しかも、前記実施形態では、各ブロック体がボルト部材による締結であるので、分離・組立を簡単に行うことができる。このため、各ブロック体の交換やメンテナンスを行うことができ、長期にわたって安定して単結晶育成装置を提供できる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、前記実施形態では、蒸発物吸着ジャケット１４を配置したものであったが、このようなジャケットを省略してもよい。省略する場合、いずれか一方であっても、両方であってもよい。また、反射鏡を構成する場合、前記実施形態では、４つのブロック体にて構成したが、用いるブロック体として４つに限るものではない。製造可能であれば、１つのブロック体にて構成してもよい。

１、２反射鏡
３、４加熱源
１０囲繞管
２１楕円面鏡
２２楕円面鏡
２３球面鏡
４０段差部
４２連設部
５０単結晶育成装置
Ｆ０焦点
Ｆ１、Ｆ２焦点

Claims

各々一対の焦点を有しかつ一方の焦点が一致するように配置される一対の反射鏡と、反射鏡の他方の焦点に配置された加熱源とを備え、前記加熱源の放射熱を直接的および反射鏡で反射して、反射鏡の一方の焦点に配置された試料に照射して単結晶を育成する単結晶育成装置において、
各反射鏡は、長径をａ１とするとともに、短径をｂ１としたときに、ｂ１／ａ１が扁平楕円となる第１楕円面鏡と、第１楕円面鏡の他方の焦点側に配設される第２楕円面鏡と、第１楕円面鏡と第２楕円面鏡との間に配設される球面鏡とで構成され、一方の焦点に配置される試料を囲繞する囲繞管の中心軸に垂直な平面での断面において、各第１楕円面鏡の交点が、前記囲繞管の中心軸を通り、かつ第１楕円面鏡の短径方向と平行な面上に配置し、第１楕円面鏡の焦点と第２楕円面鏡の焦点とが共通であり、この焦点がこの反射鏡の焦点をなし、球面鏡の中心が前記加熱源が配置される焦点と一致して、球面鏡と第２楕円面鏡とが連続するとともに、第１楕円面鏡と球面鏡との間に段差部が形成され、
前記一方の焦点と第１楕円面鏡の段差部側の端縁とを結ぶ直線の延長線上に第２楕円面鏡と球面鏡との連設部があることを特徴とする単結晶育成装置。
前記囲繞管の中心軸に垂直な平面での断面において、前記囲繞管と第１楕円面鏡との間の最小隙間寸法を、前記囲繞管の外径寸法の８．０％〜１２０％としたことを特徴とする請求項１に記載の単結晶育成装置。