JP6122193B1 - 単結晶製造装置および単結晶製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーロスを抑制する技術を提案する。【解決手段】赤外線発生手段４１と反射手段４２とを備えた加熱部４により形成された溶融帯域Ｍｌを冷却することにより単結晶を製造する単結晶製造装置１において、反射手段４２は、回転楕円鏡４２１ａと凹面球面鏡４２１ｂとを備え、回転楕円鏡４２１ａにおいて、一方の焦点Ｆ１には赤外線発生手段４１を配し、もう一方の焦点Ｆ０の側を開口させ、かつ、一方の焦点Ｆ１を凹面球面鏡４２１ｂの球の中心と同一の位置とした、単結晶製造装置１およびその関連技術を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶製造装置および単結晶製造方法に関する。

従来、単結晶製造方法としては、例えば、回転楕円鏡を利用した赤外線による加熱を用いた溶融帯域法（フローティングゾーン法）が知られている（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載の構成は、以下の通りである。まず、天地方向の天の方向（以降、上方とも言う。）にペレット状の原料を配置し、天地方向の地の方向（以降、下方とも言う。）に棒状の種結晶を配置し、その上で、原料と種結晶とを近接させる。この近接する部分が回転楕円鏡の一方の焦点となるように各部の配置を行う。そして、赤外線の直接照射と回転楕円鏡による反射光によって上方の原料を溶融することにより溶融帯域を形成する。この溶融帯域は、種結晶と接触する下方側から結晶成長（固体化、単結晶化）し、原料および種結晶を共に引き下げることにより連続的に溶融帯域から結晶を成長させることができる。
このとき、原料と種結晶との近接部分に対して斜め上から赤外線を照射可能な配置を採用しておく。それと共に、溶融帯域に対する冷却具合調節部として、原料を水平方向に包囲する遮蔽筒も配置しておく。

これらの構成により、斜め上の方向から照射される赤外線が遮蔽され、溶融帯域Ｍｌの内部に陰の部分（特許文献１の図２中斜線部）が形成される。この陰の部分により、当該溶融帯域Ｍｌを内部からマイルドかつ迅速に冷却し、小口径から大口径に至るまでの結晶成長における溶融帯域の安定制御を可能とし、産業用途に適した大口径かつ長尺な高品質単結晶を製造可能としている（特許文献１の［００２３］［００２５］等）。

特開２０１５−０８１２１８号公報

特許文献１について本発明者が鋭意検討したところ、以下の改良すべき点が判明した。

特許文献１の図２（ａ）が示す単結晶製造装置の構成だと、遮蔽筒を用いることによって当然のことながら赤外線が幾ばくかは遮蔽される。そのため、遮蔽筒を用いない場合に比べ、原料と種結晶との近接部分に対する赤外線のエネルギーロスが多くなってしまうことは否定できない。また、特許文献１に限った話ではないが、そもそも回転楕円鏡は開口しており、回転楕円鏡の焦点（集光部分）から外れて開口から出射した赤外線はそのままエネルギーロスとなってしまう。そうなると、上記の各エネルギーロスを抑制するための何らかの手当てを行うのが望ましい。

本発明の課題は、エネルギーロスを抑制する技術を提案することである。

上記の課題を解決すべく、本発明者は鋭意検討を行った。その結果、以下の本発明の態様すなわち回転楕円鏡に対して凹面球面鏡を設けることにより、仮に、特許文献１に記載の遮蔽筒を採用したとしても、「エネルギーロスの抑制」を解決することができるという知見を得た。

以上の知見に基づいて成された本発明の態様は、以下の通りである。
本発明の第１の態様は、
赤外線発生手段により発生した赤外線を反射手段にて原料へと反射させて原料を加熱して形成された溶融帯域を冷却することにより単結晶を製造する単結晶製造装置において、
前記反射手段は、回転楕円鏡と凹面球面鏡とを備え、
前記回転楕円鏡において、一方の焦点Ｆ１には前記赤外線発生手段を配し、もう一方の焦点Ｆ０の側を開口させ、かつ、前記一方の焦点Ｆ１を前記凹面球面鏡の球の中心と同一の位置とした、単結晶製造装置である。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の発明において、
前記回転楕円鏡の前記もう一方の焦点Ｆ０は、前記赤外線発生手段が配された焦点Ｆ１から見て天地方向の地の方向に存在する。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に記載の発明において、
前記赤外線発生手段と前記反射手段との組を複数有し、前記もう一方の焦点を、各前記反射手段における前記回転楕円鏡の共通の焦点とする。

本発明の第４の態様は、第１〜第３のいずれかの態様に記載の発明において、
天地方向の天の位置に配置された原料把持部と、天地方向の地の位置に配置された種結晶把持部と、を備える。

本発明の第５の態様は、第４の態様に記載の発明において、
前記凹面球面鏡は、前記回転楕円鏡の開口における天地方向の地の側に対向して配置される。

本発明の第６の態様は、第１〜第３のいずれかの態様に記載の発明において、
天地方向の地の位置に配置された原料把持部と、天地方向の天の位置に配置された種結晶把持部と、を備える。

本発明の第７の態様は、第１〜第６のいずれかの態様に記載の発明において、
前記凹面球面鏡は、前記回転楕円鏡の開口に対する位置および開口を覆う範囲のうち少なくともいずれかを変更自在である。

本発明の第８の態様は、第７の態様に記載の発明において、
前記凹面球面鏡は、前記回転楕円鏡内へと赤外線を反射する際に、前記凹面球面鏡の球の中心の位置を、前記一方の焦点Ｆ１と同一の位置の状態からずらすことを可能とする構成を有する。

本発明の第９の態様は、
赤外線発生手段と反射手段とを備えた加熱部により形成された溶融帯域を冷却することにより単結晶を製造する単結晶製造方法において、
前記反射手段は、回転楕円鏡と凹面球面鏡とを備え、
前記回転楕円鏡において、一方の焦点Ｆ１には前記赤外線発生手段を配し、もう一方の焦点Ｆ０の側を開口させ、かつ、前記一方の焦点Ｆ１を前記凹面球面鏡の球の中心と同一の位置とする、単結晶製造方法である。

また、別の態様としては以下のものがあげられる。

前記凹面球面鏡は可動である。

２つの焦点を結ぶ直線を遮らないように前記凹面球面鏡（好ましくはその中心）に穴が設けられている。

光源と反射手段とを備えた加熱部を備えた単結晶製造装置において、
前記反射手段は、回転楕円鏡と凹面球面鏡とを備え、
前記回転楕円鏡において、一方の焦点Ｆ１には前記光源を配し、もう一方の焦点Ｆ０の側を開口させ、かつ、前記一方の焦点Ｆ１を前記凹面球面鏡の球の中心と同一の位置とした、単結晶製造装置（または製造方法）である。

光源と反射手段とを備えた加熱部を備えた熱処理装置において、
前記反射手段は、回転楕円鏡と凹面球面鏡とを備え、
前記回転楕円鏡において、一方の焦点Ｆ１には前記光源を配し、もう一方の焦点Ｆ０の側を開口させ、かつ、前記一方の焦点Ｆ１を前記凹面球面鏡の球の中心と同一の位置とした、熱処理装置（または熱処理方法）である。

凹面鏡である回転楕円鏡と凹面球面鏡とを備え、
前記回転楕円鏡の２つの焦点のうち前記回転楕円鏡の凹面の底に近い方の焦点を前記凹面球面鏡の球の中心と同一の位置とした、反射手段（反射鏡）である。

赤外線発生手段と反射手段とを備えた加熱部により形成された溶融帯域を冷却することにより単結晶を製造する単結晶製造装置において、
前記反射手段は、
回転楕円鏡と、
前記回転楕円鏡に対向して配される対面鏡と、
を備え、
前記対面鏡は、前記回転楕円鏡の２つの焦点間において前記回転楕円鏡の開口の少なくとも一部に被さる一方で、２つの焦点を結ぶ直線を遮らないように配された、単結晶製造装置（または製造方法）である。

赤外線発生手段により発生した赤外線を反射手段にて原料へと反射させて原料を加熱して形成された溶融帯域を冷却することにより単結晶を製造する単結晶製造装置において、
前記反射手段は、回転楕円鏡と赤外線遮蔽部材とを備え、
前記赤外線遮蔽部材は、前記回転楕円鏡の２つの焦点間において前記回転楕円鏡の開口の少なくとも一部に被さる一方で、２つの焦点を結ぶ直線を遮らないように配された、単結晶製造装置（または製造方法）である。

本発明によれば、エネルギーロスを抑制可能となる。

本実施形態における単結晶製造装置の概略断面図である。 本実施形態における反射手段の概略図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図である。 本実施形態において、回転楕円鏡および凹面球面鏡に着目した、単結晶製造装置の概略断面図である。 変形例において、回転楕円鏡および凹面球面鏡に着目した、単結晶製造装置の概略断面図である。 変形例における反射手段の概略図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、次の順序で説明を行う。
１．単結晶製造装置
１−Ａ）単結晶製造装置の概要
１−Ｂ）原料把持部
１−Ｃ）種結晶把持部
１−Ｄ）加熱部
１−Ｅ）遮蔽筒
２．単結晶製造方法
２−Ａ）準備工程
２−Ｂ）加熱工程
２−Ｃ）単結晶成長工程
３．実施の形態による効果
４．変形例等

なお、以下に記載が無い内容については、溶融帯域法による単結晶製造装置およびその方法に関する技術における公知の構成（例えば本出願人による特開２０１５−０８１２１７号公報や特開２０１５−０８１２１８号公報（特許文献１）、特許第５９２６４３２号に記載の構成）を適宜採用しても構わない。
本実施形態では主に特開２０１５−０８１２１８号公報に記載の構成（例えば種結晶を地の方向に配置し、原料を天の方向に配置したもの）を採用する例を挙げる。そのため、以下に記載が無い内容については、特開２０１５−０８１２１８号公報の内容が記載されているものとする。
また、特開２０１５−０８１２１７号公報に記載の構成（例えば種結晶を天の方向に配置し、原料を地の方向に配置）を採用する例については＜４．変形例等＞で挙げる。
また、本明細書においては「〜」は所定の値以上かつ所定の値以下を指す。

＜１．単結晶製造装置＞
１−Ａ）単結晶製造装置の概要
本実施形態における単結晶製造装置１の基本的構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態における単結晶製造装置１の概略断面図である。

本実施形態における単結晶製造装置１は、主に、以下の構成を有する。先に述べておくが、本実施形態における大きな特徴は以下の加熱部４にある。
・天地方向に移動自在かつ天地方向を中心軸として回転自在であって天地方向の天の側（上方）に配された原料把持部２
・天地方向に移動自在かつ天地方向を中心軸として回転自在であって天地方向の地の側（下方）に配された種結晶把持部３
・赤外線の照射によって、原料把持部２に把持された原料Ｍを加熱して原料Ｍを溶融させる加熱部４
・原料把持部２にて把持される原料Ｍにおける少なくとも一部を水平方向に包囲自在であって天地方向に移動自在な赤外線の遮蔽筒５１

なお、単結晶を成長させる結晶成長炉は石英炉心管１１で密閉されており、下部シャフトフランジ１２、上部シャフトフランジ１３とともに炉内の成長雰囲気を外界から隔離している。炉内には雰囲気導入口１４から適切な組成の雰囲気を導入し、雰囲気排出口１５から排出し、炉内の雰囲気成分ならびに圧力を適切に保つことができる。

また、本実施形態において、特開２０１５−０８１２１８号公報と大きく異なるのは「加熱部４」であり、具体的に言うと回転楕円鏡に対して凹面球面鏡を別途設けたことにある。それ以外の構成については該公報に記載の内容の通りであるため、適宜記載を省略する。

以下、上記で列挙した各構成について主に説明する。なお、以降においては、発明を理解しやすくするために、単結晶製造装置１の各部または各手段を具体化したものについて述べる。もちろん、本発明は各部または各手段を具体化したものに限定されることはない。

１−Ｂ）原料把持部
本実施形態における原料把持部２は、種結晶把持部３と対向して上方に配され、固体の原料Ｍを把持自在な構成を有する。本実施形態においては、原料Ｍとして、ペレット状の原料Ｍを用いる。これに伴い、原料把持部２が、ペレット状の原料Ｍと係合自在な形状を有するようにする。詳しく言うと、本実施形態の原料把持部２は、原料Ｍを把持する「原料ホルダー２１」と原料ホルダー２１の回転軸および上下移動軸となる「上部シャフト２２」とで構成されている。

また、原料把持部２は、天地方向に移動自在かつ天地方向を中心軸として回転自在な構成を有している。本実施形態においては、上部シャフト２２が中心軸となる。なお、原料把持部２を駆動する駆動源の図示は省略する。

１−Ｃ）種結晶把持部
本実施形態における種結晶把持部３は、原料把持部２と対向して下方に配され、種結晶Ｓを把持自在な構成を有し、例えば種結晶ホルダー３１と下部シャフト３２とを有する。なお、種結晶把持部３は、公知の構成を採用しても構わない。

なお、種結晶把持部３も、天地方向に移動自在かつ天地方向を中心軸として回転自在な構成を有している。なお、種結晶把持部３を駆動する駆動源の図示は省略する。

１−Ｄ）加熱部４
本実施形態における加熱部４は大きな特徴の一つである。本実施形態における加熱部４は４つの赤外線発生手段４１１，４１２，４１３，４１４（以降、まとめて符号４１を付すこともある。）を四方に有し、原料把持部２に把持された原料Ｍを加熱して原料Ｍを溶融させる機能を有する。このとき、単結晶製造装置１を平面視したときに赤外線発生手段４１１と４１２が相対し、赤外線発生手段４１３と４１４が相対するように配置する。

また、本実施形態における加熱部４は、赤外線発生手段４１の他に、赤外線を原料Ｍへと反射して照射効率を向上させるための反射手段４２１，４２２，４２３，４２４（以降、まとめて符号４２を付すこともある。）も有している。

そして、この反射手段４２の各々は、内面を鏡面とした回転楕円鏡４２１ａ，４２２ａ，４２３ａ，４２４ａ（以降、代表して符号４２１ａを付す、または符号を省略する。）と、回転楕円鏡４２１ａの開口Ｏに対向して配される凹面球面鏡４２１ｂ，４２２ｂ，４２３ｂ，４２４ｂ（以降、代表して符号４２１ｂを付す、または符号を省略する。また、単に球面鏡とも称する。）とを有している。

ここで、回転楕円鏡４２１ａは凹面鏡であり、公知のものを用いても差し支えない。図１等に示すように、回転楕円鏡４２１ａにおいては、一方の焦点Ｆ１には赤外線発生手段４１を配し、もう一方の焦点Ｆ０の側を開口させている。このとき、回転楕円鏡４２１ａの２つの焦点のうち回転楕円鏡４２１ａの凹面の底に近い方の焦点をＦ１、遠い方の焦点（すなわち溶融帯域Ｍｌが位置する部分）をＦ０としており、焦点Ｆ１には赤外線発生手段４１を設ける。

図１においては、赤外線発生手段４１のうち赤外線発生手段４１１，４１２のみを図示し、反射手段４２のうち反射手段４２１，４２２のみを図示する。図１に示すように、まず、反射手段４２のうち回転楕円鏡４２１ａ，４２２ａは、共通の焦点Ｆ０を有している。それに加え、もう一方の焦点として、回転楕円鏡４２１ａは焦点Ｆ１を、焦点Ｆ０の上方に有している。同様に、回転楕円鏡４２２ａは焦点Ｆ２を、焦点Ｆ０の上方に有している。

ここで球面鏡４２１ｂについて、図１および図２を用いて説明する。なお、図２は、本実施形態における反射手段４２１の概略図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図である。

本実施形態においては、図１に示すように、反射手段４２のうち球面鏡４２１ｂにおいては、回転楕円鏡４２１ａの一つの焦点Ｆ１と球面鏡４２１ｂの球の中心とが同一の位置である。同様に、球面鏡４２２ｂにおいては、回転楕円鏡４２２ａの一つの焦点Ｆ２と球面鏡４２２ｂの球の中心とが同一の位置である。ここでいう同一の位置とは、両位置が完全に一致する場合はもちろん含むが、２〜３ｍｍ程度のずれならば実質的に問題は無い。
なお、本実施形態における球面鏡は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、真球の一部を切り取った形状の鏡面を有する凹面鏡である。他の４２２ｂ，４２３ｂ，４２４ｂについても同様とする。

回転楕円鏡４２１ａに対してこのように球面鏡４２１ｂを配置することにより、図３の黒矢印が示すように、本来だったら回転楕円鏡４２１ａにて反射した赤外線が開口Ｏから出射し、原料Ｍと種結晶Ｓとの近接部分（焦点Ｆ０）に照射されることなく漏れてしまっていたところ、反射した赤外線を球面鏡４２１ｂによって再び回転楕円鏡４２１ａ内（すなわち開口Ｏと回転楕円鏡４２１ａとで囲まれる領域であって焦点Ｆ１が存在する領域）へと戻すことができる。しかも、回転楕円鏡４２１ａの一つの焦点Ｆ１と球面鏡４２１ｂの球の中心とが同一の位置であることから、最終的にもう一つの焦点Ｆ０へと効率よく赤外線を反射させることが可能となる。つまり、エネルギーロスを抑制することが可能となる。

さらに、球面鏡４２１ｂは赤外線を反射する役割のみならず、本実施形態においては、溶融帯域Ｍｌの種結晶側をスムーズに冷却することが可能となる。なぜなら、球面鏡４２１ｂにより、溶融帯域Ｍｌの種結晶側へと赤外線が照射されるのを防ぐことができるためである。

もちろん、回転楕円鏡４２１ａと球面鏡４２１ｂとの間での配置関係を上記のようにするのみならず、回転楕円鏡４２２ａと球面鏡４２２ｂ、回転楕円鏡４２３ａと球面鏡４２３ｂ、回転楕円鏡４２４ａと球面鏡４２４ｂについても同様の配置関係とする。

図１に示すように、焦点Ｆ１およびＦ２にはそれぞれ赤外線発生手段４１１，４１２が配置されている。赤外線加熱発生手段そのものは、公知の構成を採用しても構わない。例えば、ハロゲンランプもしくはキセノンアークランプあるいはその併用で構わない。回転楕円鏡４２１ａ，４２２ａの共通の焦点Ｆ０が被加熱部分となり、この被加熱部分に、溶融した原料Ｍと種結晶Ｓとが接触することにより形成される溶融帯域Ｍｌを配置するような構成を採用する。そして、溶融帯域Ｍｌが被加熱部分からずれるように、原料把持部２と種結晶把持部３とを互いに離間させることにより溶融帯域Ｍｌを冷却させ、単結晶を成長させる。

また、本実施形態における特徴の一つに、赤外線発生手段４１を、溶融帯域Ｍｌよりも天地方向の天の位置（上方）に配置していることがある。別の言い方をすると、各回転楕円鏡の共通の焦点Ｆ０よりも、各赤外線発生手段４１が上方に配置されるように赤外線発生手段４１および反射手段４２を構成することにより、以下の効果を奏する。

まず、原料Ｍの下端と種結晶Ｓとを接触させ、赤外線を用いた加熱により溶融帯域Ｍｌを形成する。この際、種結晶Ｓも溶融している。その後、原料Ｍと種結晶Ｓと間の距離を広げつつ、溶融帯域Ｍｌを赤外線の集光部分（Ｆ０）からずらすことにより、これを冷却する。ただ、上方に原料把持部２を配置する関係上、溶融帯域Ｍｌから単結晶へと成長する部分（以降、「成長部分Ｍｃ」と言う。また、単結晶のことをＭｃと言う場合もある。）が下方に移動するように、原料把持部２および種結晶把持部３を相対移動させる。

ここで、図１に示すように、赤外線発生手段４１を溶融帯域Ｍｌよりも上方に配置すると、成長部分Ｍｃが上方に移動したとしても、赤外線発生手段４１が同じく上方にあるため、成長部分Ｍｃはある程度加熱され続ける。そのため、単結晶の成長において温度勾配が緩くなる。その結果、原料Ｍにおける溶融帯域Ｍｌを適切に維持できる。ひいては、良質な単結晶を製造することが可能となる。

ちなみに、赤外線発生手段４１の具体的な配置としては、原料Ｍの溶融帯域Ｍｌの水平方向から見て１０度〜２０度上方の位置に赤外線発生手段４１を配置するのが好ましい。
１０度以上ならば、溶融帯域Ｍｌが上方に移動しつつ単結晶が成長する際に、溶融帯域Ｍｌをある程度加熱し続けることが可能となり、温度勾配が緩くなる。その結果、結晶界面および小傾角粒界の発生が抑制され、結晶性が向上する。
２０度以下ならば、溶融帯域Ｍｌに対して適度に赤外線を集中することが可能となり、溶融帯域Ｍｌを適切に形成および制御することが可能となる。

１−Ｅ）遮蔽筒
本実施形態においては、更に好適な構成として、原料把持部２に対して相対的に、天地方向へと移動可能な遮蔽筒５１を設けている。遮蔽筒５１により、原料Ｍの所定の部分に対してのみ赤外線を照射することが可能となる。遮蔽筒５１の具体的な構成としては、特許文献１（特開２０１５−０８１２１８号公報）に記載の通りである。

以上、本実施形態における単結晶製造装置１について説明したが、もちろん、上記以外の構成であっても、単結晶製造装置１という用途に応じて適宜採用しても構わない。

＜２．単結晶製造方法＞
次に、本実施形態における単結晶製造装置１の操作手順について説明する。なお、以下の工程の内容は、＜１．単結晶製造装置＞にて説明した内容と重複する部分もある。そのため、以下に記載が無い内容については、＜１．単結晶製造装置＞にて説明した通りである。また、以下に記載が無い内容については、公知の構成（例えば本出願人による特開２０１５−０８１２１８号公報に記載の構成）を適宜採用しても構わない。

２−Ａ）準備工程
まず、図１に示すように、単結晶製造装置１に必要な各構成を、＜１．単結晶製造装置＞にて説明したように配置する。

２−Ｂ）加熱工程
次に、本工程においては、原料Ｍと種結晶Ｓとの近接部分から見て斜め上方から、赤外線発生手段４１により発生させた赤外線を、原料Ｍに対して直接、および、反射手段４２により反射した上で原料Ｍに照射する。そうして、種結晶Ｓと対向する部分であってペレット状の原料Ｍの下端を溶融する。その溶融部分に、多少溶融した種結晶Ｓを接触させることで溶融帯域Ｍｌが形成される。
このとき、加熱部４（特に反射手段４２であるところの回転楕円鏡４２１ａ，４２２ａ，４２３ａ，４２４ａ、そして各々の回転楕円鏡に対する球面鏡４２１ｂ，４２２ｂ，４２３ｂ，４２４ｂ）を上記のように構成していることから、エネルギーロスを抑制しつつも溶融帯域の種結晶側をスムーズに冷却することが可能となる。

２−Ｃ）単結晶成長工程
本工程では、溶融帯域Ｍｌから単結晶を成長させる。原料Ｍおよび種結晶Ｓを共に引き下げることにより、また、上記の各球面鏡のおかげで、溶融帯域Ｍｌにおける成長部分Ｍｃがスムーズに冷却され、大口径の単結晶が形成可能である。そして、所定の量の単結晶が形成されれば、適宜必要な作業を行いつつ、単結晶の製造を終了する。

＜３．実施の形態による効果＞
本実施形態によれば、以下の効果を奏する。

まず、回転楕円鏡４２１ａに対して上記のように球面鏡４２１ｂを配置することにより、反射した赤外線を球面鏡４２１ｂによって再び回転楕円鏡４２１ａへと戻すことができる。しかも、回転楕円鏡４２１ａの一つの焦点Ｆ１と球面鏡４２１ｂの球の中心とを同一の位置とすることから、最終的にもう一つの焦点Ｆ０へと効率よく赤外線を反射させることが可能となる。つまり、エネルギーロスを抑制することが可能となる。
なお、本発明者が確認したところによれば、このエネルギーロスを抑制した結果、場合によっては回転楕円鏡４２１ａと溶融帯域Ｍｌとの間にライトガイド等を備えずとも、レーザー光並みの照射量を実現可能となる。

さらに、球面鏡４２１ｂにより、溶融帯域Ｍｌの種結晶側へと赤外線が過度に照射されるのを防ぐことができる。その結果、溶融帯域Ｍｌの種結晶側をスムーズに冷却することが可能となる。

＜４．変形例等＞
本発明の技術的範囲は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

（単結晶の種類）
本発明の技術的思想は、単結晶の種類に限定されない。溶融帯域Ｍｌを冷却して製造される単結晶ならば本発明の技術的思想を適用可能である。例えば、上記で挙げたように、融点の著しく異なる物質を含む多元素系の結晶や、偏析係数の小さい添加物を含む結晶など（例えばＳｉ−ＧｅやＣｅ：ＬＳＯ等）であっても構わないし、更に言うと結晶により構成される金属や合金であっても構わない。

（加熱部の種類）
上記の実施形態では、加熱部４の光源として赤外線発生手段４１を用いる場合について述べた。その一方、赤外線発生手段４１以外のものを光源として用いることを否定するものではないが、集光という要素を鑑みると、レーザー光の光源ではなく赤外線発生手段４１を使用するのがコスト的にも好ましい。なお、本明細書における「光」は、赤外線から紫外線（波長が１ｎｍ〜１ｍｍ）までの光を指す。

また、本実施形態に挙げた以外の数の回転楕円鏡および赤外線発生手段を設けても構わない。なお、赤外線発生手段４１に加え、レーザー光発生手段を、回転楕円鏡４２１ａの下方に設けても構わない。レーザー光発生手段により、原料Ｍに対して、赤外線に加え、レーザー光を照射しても構わない。ターゲットスコープ（図に記載せず）を用い、溶融帯域Ｍｌに析出した固相に対してレーザー光を集中的に照射することで、原料Ｍを部分的に加熱し、溶融帯域Ｍｌに固相を再度溶け込ませることも可能となる。これにより、安定した単結晶の成長が可能となる。このため、レーザー光発生手段は、回転楕円鏡４２１ａと同様に、溶融帯域Ｍｌに向けて傾斜角をつけて配置しても構わない。また、レーザー光発生手段として、上下、左右および傾斜角度の任意制御が可能な構造を採用しても構わない。ただ、レーザー光発生手段を備えた装置は高額となるため、基本的には赤外線発生手段４１のみが備えられており、オプションとしてレーザー光発生手段を備え付けることが可能な単結晶製造装置１とすることが好ましい。

（種結晶と原料の配置）
上記の実施形態では、種結晶Ｓを下方、原料Ｍを上方に配置した。その一方、特開２０１５−０８１２１７号公報に記載のように、下方に原料把持部２、上方に種結晶把持部３を配置しても構わない。この場合、特開２０１５−０８１２１７号公報に記載の赤外線遮蔽部の役割を上記の球面鏡にて担わせてもよい。その場合、上記の実施形態と同様に、回転楕円鏡の開口Ｏの下方に球面鏡を配置する。

（球面鏡の配置）
上記の実施形態だと回転楕円鏡の開口Ｏの下方にのみ球面鏡を配置したが、例えば図４に示すように、さらに開口Ｏの上方にも球面鏡を別部材として配置しても構わない。この場合、上方の球面鏡は、遮蔽筒５１と同等の役割を担うことが可能となり、遮蔽筒５１を設けなくとも済むようになる。

また、上記の実施形態だと種結晶Ｓを下方、原料Ｍを上方に配置したために回転楕円鏡の開口Ｏの下方に球面鏡を配置した。その一方、先ほど挙げた特開２０１５−０８１２１７号公報に記載のように、下方に原料把持部２、上方に種結晶把持部３を配置する場合、種結晶Ｓは上方に位置する。この場合、溶融帯域Ｍｌの種結晶側は溶融帯域Ｍｌの上方となる。そうなると、回転楕円鏡の開口Ｏの上方に球面鏡を配置することにより、この部分をスムーズに冷却することも可能となる。

また、図５に示すように、球面鏡４２１ｂに（好ましくはその中心に）穴Ｈをあけ、２つの焦点を結ぶ直線を遮らないようにしつつも回転楕円鏡４２１ａの開口Ｏに球面鏡４２１ｂが被さるようにしても構わない。もちろん、その際にも回転楕円鏡４２１ａの焦点Ｆ１を球面鏡４２１ｂの球の中心と同一の位置とするのが非常に好ましい。
球面鏡４２１ｂの中心の穴Ｈの直径としては１ｍｍ〜１０００ｍｍ、別の規定の仕方だと回転楕円鏡４２１ａの開口Ｏの直径の１％〜９９％とするのが、原料Ｍへの赤外線の照射量の確保、エネルギーロスの抑制、溶融帯域の種結晶側のスムーズな冷却等々のバランスを鑑みて好ましい。
なお、溶融帯域の種結晶側へは赤外線が照射されるのを防ぎつつも、最終的にもう一つの焦点Ｆ０へと効率よく赤外線を反射させることを可能とすべく、球面鏡４２１ｂは、２つの焦点を結ぶ直線を遮らないように配している。
なお、図５に示すように球面鏡４２１ｂに穴をあけ、その穴を小さく（例えば３ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下に）設定し、赤外線を反射させつつ原料Ｍに照射した場合、照射量が最たるものとなり、１組の回転楕円鏡４２１ａおよび球面鏡４２１ｂのみであったとしてもレーザー光並みの照射量を実現可能となる。

（赤外線発生手段の配置）
上記の実施形態だと種結晶Ｓが地の位置、原料Ｍが天の位置に配置された場合を例示したが、例えば図４に示すように赤外線発生手段４１は溶融帯域Ｍｌに対して水平の位置に配置されても構わないし、溶融帯域Ｍｌよりも地の方向に配置されても構わない。その場合、球面鏡の配置にて、溶融帯域Ｍｌの種結晶側に対する照射量と、原料側に対する照射量とを調整してもよい。

（球面鏡の構造）
上記の調整を容易にするために、球面鏡を可動としても構わない。具体例を挙げると、水平方向に長軸な球面鏡部材を短軸方向へと数珠つなぎに連結してシャッター形式の球面鏡を構成した上で、該シャッターを上げ下げすることで、球面鏡が回転楕円鏡の開口Ｏに被さる範囲を適宜変更できるようにしても構わない。また、回転楕円鏡に対して球面鏡の開口に対する位置を変更自在な構造を採用するのが好ましい。こうすることにより、先に挙げたように回転楕円鏡の下方に球面鏡を配置したり、逆に上方に配置したり、あるいは回転楕円鏡の開口と正対して正面に球面鏡を配置したり、作業者の要望に応じて適宜調整可能となる。
つまり、ここでの球面鏡は、回転楕円鏡の開口に対する位置および開口を覆う範囲のうち少なくともいずれかを変更自在であるのが好ましい。
また、球面鏡を可動とすることにより、例えば単結晶製造装置１を使用する前だと開口Ｏに対向しない位置に球面鏡を収容しておき、単結晶製造装置１を使用する際に開口Ｏと対向する位置へと球面鏡をスライドさせて移動可能な機構を採用してもよい。この機構に着目するのなら、以下の表現も使用可能である。
『前記回転楕円鏡において、一方の焦点Ｆ１には前記赤外線発生手段を配し、もう一方の焦点Ｆ０の側を開口させ、かつ、前記一方の焦点Ｆ１を前記凹面球面鏡の球の中心と同一の位置とすることが可能な構成を備えた、単結晶製造装置（または製造方法）。』

（溶融帯域を形成せずに単結晶を製造する方法（ＣＶＤ）に適用する場合）
上記の実施形態だと溶融帯域Ｍｌを形成することにより単結晶を製造する方法について述べたが、それ以外の手法（例えばＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）における集光加熱の際に、上記の反射手段４２を採用しても構わない。ＣＶＤを採用する場合、ターゲットに対して集光加熱を行う際に、上記の反射手段を採用すれば、エネルギーロスを抑制することは可能となる。つまり、本発明の課題として述べた内容のうち「エネルギーロスを抑制する」という課題を解決することは可能となる。また、その際の光源については特に限定は無く、赤外線発生手段４１、レーザー光の光源等、またはそれらの組み合わせを使用しても構わない。この例について表現すると以下のようになる。
『光源と反射手段とを備えた加熱部を備えた単結晶製造装置において、
前記反射手段は、回転楕円鏡と凹面球面鏡とを備え、
前記回転楕円鏡において、一方の焦点Ｆ１には前記光源を配し、もう一方の焦点Ｆ０の側を開口させ、かつ、前記一方の焦点Ｆ１を前記凹面球面鏡の球の中心と同一の位置とした、単結晶製造装置（または製造方法）。』

（熱処理装置または熱処理方法）
上記の実施形態だと原料Ｍを溶融させて溶融帯域Ｍｌを形成する単結晶製造装置について主に述べたが、物質を溶融させない程度に加熱する装置や方法においても本発明の技術的思想は適用可能である。例えば、測定装置に付属させて試料を加熱（例えばアニール）するための熱処理装置などがあげられる。このような熱処理装置においても、本発明の課題として述べた内容のうち「エネルギーロスを抑制する」という課題を解決することは可能となる。この例について表現すると以下のようになる。
『光源と反射手段とを備えた加熱部を備えた熱処理装置において、
前記反射手段は、回転楕円鏡と凹面球面鏡とを備え、
前記回転楕円鏡において、一方の焦点Ｆ１には前記光源を配し、もう一方の焦点Ｆ０の側を開口させ、かつ、前記一方の焦点Ｆ１を前記凹面球面鏡の球の中心と同一の位置とした、熱処理装置（または熱処理方法）。』

（発明としての反射手段）
本発明は、単結晶製造装置や単結晶製造方法に係るものではあるが、本発明の技術的思想は上記の反射手段４２そのものに反映されており、本発明の課題を解決可能である。そのため、上記の反射手段４２そのものも発明として成り立ちうる。この例について表現すると以下のようになる。
『凹面鏡である回転楕円鏡と凹面球面鏡とを備え、
前記回転楕円鏡において、一方の焦点Ｆ０の側を開口させ、かつ、もう一方の焦点Ｆ１を前記凹面球面鏡の球の中心と同一の位置とした、反射手段（反射鏡）。』
また、別の表現だと以下のようになる。
『凹面鏡である回転楕円鏡と凹面球面鏡とを備え、
前記回転楕円鏡の２つの焦点のうち前記回転楕円鏡の凹面の底に近い方の焦点を前記凹面球面鏡の球の中心と同一の位置とした、反射手段（反射鏡）。』

（球面鏡以外の対面鏡）
上記の実施形態だと球面鏡について説明したが、それ以外の形状の鏡面を有する部材（例えば平板鏡等）を使用しても構わない。球面鏡以外の対面鏡であっても、回転楕円鏡の開口Ｏから赤外線が出射しそうになってもこれを回転楕円鏡内へと戻すこと自体は可能である。そのため、該対面鏡を設けない場合に比べ、エネルギーロスを抑制可能である。また、該対面鏡はその名の通り回転楕円鏡に対する合わせ鏡であって開口Ｏに対向して設けられたものであり、溶融帯域の種結晶側へと赤外線が照射されるのを遮蔽可能であり、溶融帯域の種結晶側をスムーズに冷却することも可能である。この例について表現すると以下のようになる。
『赤外線発生手段と反射手段とを備えた加熱部により形成された溶融帯域を冷却することにより単結晶を製造する単結晶製造装置において、
前記反射手段は、
回転楕円鏡と、
前記回転楕円鏡に対向して配される対面鏡と、
を備え、
前記対面鏡は、前記回転楕円鏡の２つの焦点間において前記回転楕円鏡の開口の少なくとも一部に被さる一方で、２つの焦点を結ぶ直線を遮らないように配された、単結晶製造装置（または製造方法）。』
とはいえ、対面鏡が球面鏡の場合、回転楕円鏡の一つの焦点Ｆ１と球面鏡の球の中心を同じ位置とすることが可能となるため、原料Ｍに対する照射効率を著しく向上させられるため、上記の実施形態のように球面鏡を採用する方が非常に好ましい。

この対面鏡は、回転楕円鏡４２１ａの２つの焦点Ｆ１−Ｆ０間において回転楕円鏡４２１ａの開口Ｏの少なくとも一部に被さるように配される。
ここで、「２つの焦点Ｆ１−Ｆ０間」とは、以下のことを指す。回転楕円鏡４２１ａは楕円球を一部切り取った形状を有しているが、ここでは該楕円球を仮想する。そして、仮想楕円球内において、回転楕円鏡４２１ａひいては楕円球の焦点Ｆ１と焦点Ｆ０とを結ぶ直線に垂直な面であって焦点Ｆ１を通過する該垂直面と焦点Ｆ０を通過する該垂直面とで挟まれる領域が、ここでいう２つの焦点Ｆ１−Ｆ０間のことを指す。この領域に対面鏡が存在することになる。別の言い方をすると、仮想楕円球内において焦点Ｆ１と溶融帯域Ｍｌとの間の領域に対面鏡を存在させることになる。なお、該領域に対面鏡の少なくとも一部が存在すればよく、それ以外の領域にも対面鏡の一部が存在することは妨げない。
また、「対面鏡が回転楕円鏡４２１ａの開口Ｏの少なくとも一部に被さる」とは、回転楕円鏡４２１ａの開口Ｏに対して垂直方向から平面視した際に（以降、特記なければ平面視とする。）、該開口Ｏに対して対面鏡の少なくとも一部が被さって見える状態を指す。言い方を変えると、被さって見える状態であれば、回転楕円鏡４２１ａの開口Ｏの縁から遠ざけて対面鏡を配置しても構わないし、逆に図１に示すように回転楕円鏡４２１ａの開口Ｏの縁から多少内側に対面鏡を配置しても構わない。

それに加え、対面鏡は、２つの焦点Ｆ１−Ｆ０を結ぶ直線を遮らないように配される。対面鏡は、回転楕円鏡４２１ａの円形の開口Ｏの中心には被さらないように配される。例えば、図２に示すように、回転楕円鏡４２１ａの円形の開口Ｏの下方側（すなわち種結晶側の溶融帯域が存在する側）であって開口Ｏの下半分の面積のうち、開口Ｏの最下端を含むようにして３０％〜９５％に、対面鏡が被さっていてもよい。下限以上なら回転楕円鏡４２１ａから漏れる赤外線を回転楕円鏡４２１ａ内の焦点Ｆ１へと十分に戻すことが可能となるうえ溶融帯域の種結晶側をよりスムーズに冷却することが可能となり、上限以下なら赤外線は過度には遮蔽されないため原料Ｍを赤外線により十分に加熱することが可能となる。

（球面鏡によるデフォーカス）
先ほど、対面鏡が球面鏡の場合、回転楕円鏡の一つの焦点Ｆ１と球面鏡の球の中心を同じ位置とすることが可能となり、好ましいと述べた。その一方、先に挙げた可動の球面鏡の構造を利用して、単結晶の製造中に、意図的に、球面鏡の球の中心と回転楕円鏡の一つの焦点Ｆ１とが同一の位置である状態から、球の中心を焦点Ｆ１からずらし、その上で、回転楕円鏡内へと赤外線を反射することも有用である。こうすることにより確かに集光度合いは低くなるが、これは逆に言うと焦点Ｆ２近傍での赤外線の照射範囲が大きくなることを意味する。それに伴い、溶融帯域の冷却度合いを任意に調整することが可能となる。
なお、このデフォーカスは、球面鏡以外の対面鏡を採用した場合（すなわち球の中心が焦点Ｆ１と一致しないことになる場合）にも期待できる。

（対面鏡を用いずに単に赤外線遮蔽部材を使用する場合）
上記の変形例だと対面鏡を採用したが、対面鏡の代わりに単に赤外線遮蔽部材（例えば黒塗りの金属部材）を採用することも可能である。対面鏡とは異なり、回転楕円鏡へと赤外線を戻すことはできなくなるものの、溶融帯域Ｍｌの種結晶側を遮蔽することは可能となるため、溶融帯域Ｍｌの種結晶側をスムーズに冷却することが可能となる。この例について表現すると以下のようになる。
『赤外線発生手段により発生した赤外線を反射手段にて原料へと反射させて原料を加熱して形成された溶融帯域を冷却することにより単結晶を製造する単結晶製造装置において、
前記反射手段は、回転楕円鏡と赤外線遮蔽部材とを備え、
前記赤外線遮蔽部材は、前記回転楕円鏡の２つの焦点間において前記回転楕円鏡の開口の少なくとも一部に被さる一方で、２つの焦点を結ぶ直線を遮らないように配された、単結晶製造装置（または製造方法）。』

以上の変形例の各々を上記の実施形態に適用しても構わないし、各々を適宜組み合わせたものを上記の実施形態に適用しても構わない。例えば、溶融帯域を形成せずに単結晶を製造する方法（ＣＶＤ）に適用する場合の変形例における球面鏡や、発明としての反射手段にて記載した球面鏡を、赤外線遮蔽部材と適宜読み替えても構わない。

１………単結晶製造装置
１１……石英炉心管
１２……下部シャフトフランジ
１３……上部シャフトフランジ
１４……雰囲気導入口
１５……雰囲気排出口
２………原料把持部
２１……原料ホルダー
２２……上部シャフト
３………種結晶把持部
３１……種結晶ホルダー
３２……下部シャフト
４………加熱部
４１……赤外線発生手段
４２……反射手段
４２１ａ，４２２ａ……回転楕円鏡
Ｏ……開口
４２１ｂ，４２２ｂ……（凹面）球面鏡
Ｈ……穴
５１……遮蔽筒
５２……駆動機構
Ｍ………原料
Ｍｓ……固体部分
Ｍｌ……溶融帯域
Ｍｃ……成長部分（単結晶）
Ｓ………種結晶

Claims (8)

1. 赤外線発生手段により発生した赤外線を反射手段にて原料へと反射させて原料を加熱して形成された溶融帯域を冷却することにより単結晶を製造する単結晶製造装置において、 前記反射手段は、回転楕円鏡と凹面球面鏡とを備え、
   前記回転楕円鏡において、一方の焦点Ｆ１には前記赤外線発生手段を配し、もう一方の焦点であって溶融帯域を形成する部分である焦点Ｆ０の側を開口させ、かつ、前記凹面球面鏡は前記回転楕円鏡の開口と対向する位置に設置しつつ前記一方の焦点Ｆ１を前記凹面球面鏡の球の中心と同一の位置とし、
   前記凹面球面鏡は、前記回転楕円鏡の開口に対する位置および開口を覆う範囲のうち少なくともいずれかを変更自在である、単結晶製造装置。
2. 前記回転楕円鏡の前記もう一方の焦点Ｆ０は、前記赤外線発生手段が配された焦点Ｆ１から見て天地方向の地の方向に存在する、請求項１に記載の単結晶製造装置。
3. 前記赤外線発生手段と前記反射手段との組を複数有し、前記もう一方の焦点Ｆ０を、各前記反射手段における前記回転楕円鏡の共通の焦点とした、請求項１または２に記載の単結晶製造装置。
4. 天地方向の天の位置に配置された原料把持部と、天地方向の地の位置に配置された種結晶把持部と、を備える、請求項１〜３のいずれかに記載の単結晶製造装置。
5. 前記凹面球面鏡は、前記回転楕円鏡の開口における天地方向の地の側に対向して配置される、請求項４に記載の単結晶製造装置。
6. 天地方向の地の位置に配置された原料把持部と、天地方向の天の位置に配置された種結晶把持部と、を備える、請求項１〜３のいずれかに記載の単結晶製造装置。
7. 前記凹面球面鏡は、前記回転楕円鏡内へと赤外線を反射する際に、前記凹面球面鏡の球の中心の位置を、前記一方の焦点Ｆ１と同一の位置の状態からずらすことを可能とする構成を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の単結晶製造装置。
8. 赤外線発生手段と反射手段とを備えた加熱部により形成された溶融帯域を冷却することにより単結晶を製造する単結晶製造方法において、
   前記反射手段は、回転楕円鏡と凹面球面鏡とを備え、
   前記回転楕円鏡において、一方の焦点Ｆ１には前記赤外線発生手段を配し、もう一方の焦点であって溶融帯域を形成する部分である焦点Ｆ０の側を開口させ、かつ、前記凹面球面鏡は前記回転楕円鏡の開口と対向する位置に設置しつつ前記一方の焦点Ｆ１を前記凹面球面鏡の球の中心と同一の位置とし、
   前記凹面球面鏡における、前記回転楕円鏡の開口に対する位置および開口を覆う範囲のうち少なくともいずれかを変更する、単結晶製造方法。