JPH04190088A - イメージ加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は１例えば半導体材料などの結晶成長に使用さ
れるイメージ炉のイメージ加熱装置の改良に関するもの
である。

［従来の技術］ 第１７図は例えば個体物理ＶＯＬ１４．Ｎｏ、１０．１
９７９゜６３３頁から６４０頁に示された従来のイメー
ジ加熱装置を示す断面図である。図において、（１）は
楕円体の反斜面を内側に有する楕円体Ｔａ、　（Ｉｌｌ
は楕円体鏡（１）の第１の焦点位置に設置され光（９）
を発光するハロゲンやキセノンランプ等の光源。

（１２）はこの光源（１））に電力を供給するためワイ
ヤ（１３）経由接続された電源、（８）は楕円体鏡（１
）の第２焦点に置かれた試料である。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のイメージ加熱装置は以上のように構成されていた
ので、光源から発光した光は楕円体鏡（１）で反射して
試料（８）の表面に集光する。従って試料（８）の温度
を上昇させ溶融して結晶の製作を行なうことをか出来る
。

ところが、光源にハロゲンランプやキセノンランプ等の
電極を持つランプを使うとランプの寿命がハロゲンの場
合、約４０時間程度（宇宙用の場合）と非常に短いため
予備のハロゲンランプを多く必要としていた。また、ハ
ロゲンやキセノンランプの場合は直接に光でガラスを融
解することが出来ず、特許公報子１−５０８３７　　ｒ
光照射加熱方法」において提案されているように光を照
射して光吸収性伝熱材の温度を上げ、この伝熱材の輻射
で試料の加熱を行っている。また、白金の金網の中にガ
ラスを入れてイメージ加熱を行なっている実施例もある
。

しかし、このような方法では伝熱材や白金の金網などの
成分が飛んで試料に付着し結晶の品質を低下する事が知
られている。

このことは例えば光学材料として重要なＹＩＧルビー、
　ＹＡＧおよび赤外線ファイバ等の材料の処理において
大きな障害となっていた。

さらに、ハロゲンランプの光源の発光領域が５１）Ｉｆ
ｆ１程度と小さいので試料の表面で小さな像を結ぶ、こ
のため温度勾配がきつ（なって試料（８）にクラックが
入るいわゆるスリップラインと呼ばれる損傷が発生する
。（特許公報昭６２−７４７４．３ページ参照）このた
め試料の加熱領域を広く、均一にし温度分布を最適なも
のに調節する必要がある。

この調節は楕円体鏡の一部を移動して焦点をぼかして調
節したりアフターヒータを取り付け、試料を回転するな
どしてこの問題に対応していた。

（公開特許公報　昭６３−２２３４８７参照）しかし、
これらの機構を取り付けることは非常に炉の操作性を悪
くシ、装置の構成を複雑にし性能を損なう原因となって
いる。さらに試料の回転は溶融した試料の振動を生じ結
晶成長できる試料の直径に制約を与える原因となってい
た。また１回転によって溶融部の溶液の撹拌を行い成分
の偏析を防止している。しかし、　１）００ＲＰもの高
速回転を与えると半径方向の遠心力が大きくなり宇宙に
おける材料実験の障害となる。宇宙の微小重力実験にお
いては拡散による均一な結晶成長を目標とするので撹拌
は不要となるからである。また、気泡が結晶の内側に遠
心力の作用で入り込んでしまい絶対に外へでてこないと
いう重大な問題が生ずる。現在のところまだこの問題は
世界的に解決されておらずシャトルの宇宙実験などにお
けるイメージ炉は試料を高速回転して均一加熱する方式
をとっており微小重力の効果が十分に発揮できない事が
心配される。

また、地上の結晶製造において半径方向の遠心力によっ
て外側に試料の溶融部が膨らんでしまうので表面張力を
弱めてしまうことや、誘導加熱で溶融すると溶融体の幅
を非常に大きく取らなければならず渚融域の体積が太き
（なり、その結果表面張力で支えきれな（なる。

４インチ以上の直径の端結晶の成長ができないという問
題があった。現在の半導体の生産は４インチ以上の大口
型の結晶を必要としているのでより大きなものを坩堝を
用いない帯域溶融法で製造する事が望まれている。従来
の製造法であるチョクラルスキー法では汚染物質の混入
が問題となるからである。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たものであり、光源を種々の形状にして試料表面の集光
状況を変化し、光の入射分布を調節しまた試料の全周に
わたり光を入射させ、試料の表面の温度勾配を急峻なも
のにしたり逆に広い分布の光束にして温度分布を緩くす
る事が出来る。また、寿命が従来の１００倍以上と長く
、加熱の波長を選択して吸収帯域の波長で光透過性材料
の融解もできるものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るプラズマランプイメージ加熱装置は光源
に石英等の透光性容器内に各種の元素を封入しこの元素
をマイクロ波（２，４ＧＨ２近辺の電子レンジ周波数帯
域等）で加熱しプラズマを容器内に作りその発光を利用
するプラズマランプを用いる。

また、この発明の別の発明に係わるプラズマランプイメ
ージ加熱装置は発光手段として上記プラズマランプを変
形して円盤状にした円盤型プラズマランプを用いる。

さらにこの発明の別の発明に係わるプラズマランプイメ
ージ加熱装置は発光手段として円柱型マイクロ波放電ラ
ンプを用いて上記の問題に対応するものである。

また、さらにこの発明の別の発明に係わるプラズマラン
プイメージ加熱装置は発光手段として金網を中間に挟ん
だガラス板を球状に形成した空胴共振器の中に上記マイ
クロ波放電ランプを入れたものを用いて上記の問題に対
応するものである。

［作用コ この発明における発光手段はプラズマランプの原子スペ
クトルを利用しているためプラズマランプの形状を任意
に変化できる。従って第２焦点における試料表面の光の
分布を任意に出来るから。

試料の全周にわたって均一な所望の温度分布の加熱が行
える。従って高速な回転はもはや不要となるし、溶融域
の幅を小さいできるから試料の直径を大きくできる。

さらに、ランプの発光波長を紫外から赤外まで設定でき
るのでレーザガラス等の吸収帯域でイメージ加熱が可能
となる。従って固溶層の境界を上に凹の形状が作られて
結晶の直径を太き（できる。

またこの発明の別の発明における円盤型プラズマランプ
は光源の形状が円盤型であるため第２焦点における光の
分布を円盤型に出来るから、試料の全周にわたって均一
な加熱が行え、急峻な温度勾配を作り溶融帯域を狭（で
きる。従って高速な回転は不要となる。また、藷融域の
幅を小さくできるから試料の直径を大きくできる。

さらに、ランプの発光波長を紫外から赤外まで設定でき
るのでレーザガラス等の吸収帯域でイメージ加熱が可能
となる。従って固溶層の境界を上に凹の形状が作られて
結晶の直径を大きくできる。

さらにこの発明の別の発明における円柱型プラズマラン
プは光源の形状が円柱型であるため試料における光の分
布を円柱型に出来るから、試料の全周にわたって均一な
加熱が行えるし、加熱領域の幅を円柱の形状を変化する
事で自由に設定できる。従って試料の温度分布の形を自
由に変化する事が可能となる。また高速な回転は不要で
、溶融域の幅を小さ（できるから試料の直径を太き（で
き、試料のスリップラインの発生を防止できる。

さらに、ランプの発光波長を紫外から赤外まで設定でき
るのでレーザガラス等の吸収帯域でイメージ加熱が可能
となる。従って固溶層の境界を上に凹に形状が作られて
結晶の直径を太き（できる。

またさらにこの発明の別の発明は電波遮蔽法の内部にプ
ラズマランプを収納して一体としプラズマランプの交換
保守を容易にしている。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例による円盤型プラズマランプ
イメージ加熱装置を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例による円盤型プラズマラン
プイメージ加熱装置の構成を示す断面図で（１）は楕円
体鏡、　（２Ａ）はガラスや透光性セラミックで出来た
中空の楕円体である円盤型容器の内部にカリュウム等の
元素を封じ込みマイクロ波加熱でプラズマ発光を行い光
（９）を放出する円盤型プラズマランプ、（３）は熱伝
導性の高いセラミックを棒状に加工して作った支持具、
（４）は円盤状の周縁を楕円体鏡（１）の内側に接して
取り付けられた電波遮蔽板、（５）は楕円体鏡＋１＋の
端部と電波遮蔽板（４）で形成されたマイクロ波の空胴
共振器、（６）は楕円体鏡（１）の端部に開かれた穴に
取り付けられる導波管、（７）は導波管（６）の他端に
取り付けられる高周波発振器、（８）は楕円体鏡（１）
の第２の焦点に置かれる棒状の試料、　　（１４）は導
波管（６）と楕円体鏡ｆｉｌの接点に開けられた窓であ
る。　（１５）は支持具（３）を固着して楕円体鏡は）
の端部で回転する回転具であり、電波透過性の材料で構
成される。

また第２図は円盤型プラズマランプ（２Ａ）の付近の構
成を説明する図である。図において、空胴共振器（５）
に高周波発振器（７）から２ＧＨ，等の高周波数で数Ｋ
Ｗのマイクロ波電力が導波管（６）および回転具　（１
５）経由印加される。空胴共振器（５）に収容された円
盤型プラズマランプ（２Ａ）はプラズマ発光を生じて３
ＫＷ程度の強力な光を発する。この光は楕円体鏡（１）
の内面で反射し第２焦点の試料（８）へ集光される。こ
こで試料（８）が高熱となって溶融される。試料（８）
をゆっくりと回転しながら引き上げて行（と結晶が成長
する。この場合の試料（８）の側面上の温度分布は第３
図のように全周に光が回って均一な加熱が可能となる従
って従来のように高速で回転する必要はなく低速で回転
して固定と液体の境界面を作り、境界面にきれいな層流
を作れる程度の低速回転で結晶成長を行う事ができる。

第４図は円盤型プラズマランプを用いて試料（ここでは
アルミニュウム）の加熱実験を単楕円体イメージ加熱装
置を用いて行なった結果を示すもので、横軸に時間を縦
軸に温度を示す。実験に用いた円盤型プラズマランプは
近赤外の０．７６ミクロンの波長で発光するものである
。この図かられかるようにアルミニュウムの試料が２分
間程度で６６０度に達して融解している。この時の円盤
型プラズマランプ入力電力は約３００Ｗである。

また、第５図は解析でタングステン試料の場合の最高到
達温度を求めたものである。この場合はランプの形状寸
法を１０．２０．３０ｍｍの３種類について計算してい
る。このように、現在市販しているキセノンランプを用
いた炉に比較して優れた加熱性能を発揮するものである
。

これは円盤型プラズマランプ（２Ａ）の発光スペクトラ
ムは試料（８）の吸光率の最も高い波長１例えば近赤外
領域に集中させる事ができるのでキセノンランプ等に比
較して非常に高い加熱効率を得ることが出来るためであ
る。

次に、他の実施例を第６図に示す。図において（１０）
はコツプ状の電波遮蔽器であり、第７図のように楕円体
Ｍ（１）の第１焦点側にコツプ状の電波遮蔽器の開放側
周縁部を接触させて空胴共振器（５）　を形成し、この
内部に円盤型プラズマランプ（２Ａ）を置き９発光させ
る。この場合は、空胴共振器（５）の形状が一定だから
共振条件に変化無いので楕円体Ｒ（１）の形状に関係な
くランプの最適発光条件を維持できる。

次にこの発明の別の発明によるプラズマランプイメージ
加熱装置を図について説明する。

第８図はこの発明の一実施例によるプラズマランプイメ
ージ加熱装置の構成を示す断面図で（１）は楕円体ｔｉ
ｅ、　　（２Ｂｌはガラスや透光性セラミックで出来た
中空の円柱容器の内部にカリュウム等の元素を封じ込み
マイクロ波加熱でプラズマ発光を行い光り　（９）を放
出する円柱型マイクロ波放電ランプ、（３）は熱伝導性
の高いセラミックを棒状に加工して作った支持具、（４
）は円盤状の周縁を楕円体鏡（１）の内側に接して取り
付けられた電波遮蔽板、（５）は楕円体鏡（１）の端部
と電波遮蔽板（４）で形成された空胴共振器、（６）は
楕円体鏡ｆｌ）の端部に開けられた穴に取り付けられる
導波管。

（７）は導波管（６）の他端に取り付けられる高周波発
振器、（８）は楕円体鏡ｆｌ）の第２焦点に置かれる棒
状の試料、　　ｆ１４）は導波管（６）と楕円体鏡（１
）の接点に開けられた窓である。

また第９図は円柱型マイクロ波放電ランプ（２Ｂ）の付
近の構成を説明する図である。図において。

空胴共振器（５）の高周波発振器（７）から２ＧＨ，等
の高周波数で数ＫＷのマイクロ波電力が導波管（６）経
由印加される。空胴共振器（５）に収納された円柱型マ
イクロ波放電ランプ（２Ｂ）はプラズマ発光を生じて強
大な光を発する。この光は楕円体鏡（１）の内面で反射
し第２焦点の試料（８）へ円柱状に集光される。ここで
試料（８）が高熱となで洛融される。試料（８）を回転
しながらゆっくり引き上げて行くと結晶が成長する。ま
た、（１！！の実施例を第１Ｏ図と第１）図に示す。図
において（１０）は楕円体鏡ｆｉｌの第１焦点側にコツ
プ状の電波遮蔽板の開放側周縁部を接触させて空胴共振
器（５）を形成する。このコツプ状の空胴共振器（５）
の内部にマイクロ波放電ランプ（２Ｂ）を置き１発光さ
せる。

円柱型マイクロ波放電ランプ（２Ｂ）の発光スペクトラ
ムは試料（８）の吸光率の最も高い波長である近赤外領
域や紫外領域に集中させられるのでキセノンランプやハ
ロゲンランプ等に比較して非常に高い加熱効率を得るこ
とが出来、またマイクロ波放電ランプの中に封入する元
素の種類を選ぶことで、光の波長を紫外から赤外の領域
まで選択的に発光できるのでガラスや金属、半導体など
の光学特性の合わせた波長で加熱することが出来る（紫
外線は水銀、近赤外はカリュウムというように元素を変
えたマイクロ波放電ランプを各種用意する）。

また１円柱型マイクロ波放電ランプの向きを回転させて
試料と直角になるように取り付ければ試料の加熱領域を
狭く出来る。

次にさらにこの発明の別の発明の一実施例によるプラズ
マランプイメージ加熱装置を図について説明する。

第１２図はこの発明の別の発明の一実施例によるプラズ
マランプイメージ加熱装置の構成を示す断面図で（１）
は内面を回転楕円の鏡面とした楕円体鏡、　　（２Ｄ）
は石英や透光性セラミックで出来た中空の球の内部にカ
リュウム等の元素を封じ込みマイクロ波加熱でプラズマ
ランプ発光を行い近赤外領域（波長は０．７６ミクロン
近辺が最も加熱効率が高い。またガラスの場合は紫外領
域の波長で吸収して溶解する。）の光　（９）を放出す
る球形マイクロ波放電ランプを収納した球共振型マイク
ロ波放電ランプ、（３）は熱伝導性の高いセラミックを
棒状に加工して作った支持具、（５）は第１３区、第１
４図に示すように球状の電波遮蔽法（１６）をガラス球
　（１９）の中に挟み込み１口金（１８）を電波遮蔽法
（１６）の一端に取り付けた空胴共振器、（６）は口金
（１８）にがん合部（１７）を介して接続される導波管
でこの実施例は球型導波管を用いているが矩形導波管で
もよい。（７）は導波管（６）の他端に取り付けられる
高周波発振器でマグネトロン等が使われる。（８）は１
個の楕円体鏡（１）の第２焦点に置かれる試料である。

また第１３図、第１４図は球共振型マイクロ波放電ラン
プ（２Ｄ）の構成を説明する図である。図において、空
胴共振器（５）に高周波発振器（７）から２ＧＨ，等の
高周波数で数ＫＷのマイクロ波電力が導波管（６）のか
ん合部（１７）紅白印加される。空胴共振器（４）に収
納された球形マイクロ波放電ランプ（２Ｄ）はプラズマ
発光を生じて強大な光りを発する（光の強度は従来のキ
セノンランプやハロゲンランプに比較して同一人力に対
して数倍の強度となる）。この光は１個または２個、４
個等、複数の楕円体鏡（１）の内面で反射し第２焦点の
試料（８）へ集光される。ここで試料（８）が高熱とな
って溶融される。

試料（８）を回転しながら紙面垂直方向へゆっくり引き
上げて行（と結晶が成長する。

また他の実施例を第１５図、第１６図に示す。

図において、　　［２０１は口金（１８）の近辺で空胴
共振器（５）の内部を密封する密封板で、電波透過性の
セラミック板などで形成される。　（２１）は空胴共振
器（５）の内部に充填されたヘリウム等の不活性ガスで
ある。

このように別の実施例では構成されるので、マイクロ波
放電ランプ（２Ｄ）の発熱をガス　（２１）を通して空
胴共振器（５）の電波遮蔽法（１６）から放熱する事が
出来る。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によればプラズマランプを発光
手段として用いる事により試料の加熱を自由に制御でき
るので広範の試料の熱処理に応用できる。特い従来不可
能であった光学材料の直接溶解が可能となるので光学材
料の単結晶の製造に極めて大きな進歩をもたらすことが
できる。また、金属材料や光学結晶などあらゆる種類の
結晶成長などの熱処理に応用できるが、結晶の大きさが
工業的に利用可能の範囲にまで拡大できることは極めて
大きな進歩である。それは、汚染の無い良質な結晶が容
易に製造できる事になるからである。結晶の大口径化は
製造設備の大きな課題であり従来の炉はこの点を目標に
開発されてきた。しかし、地上では坩堝を用いる事がど
うしても汚染物質から逃れられない原因であうた。ここ
で提案する方法は材料の光学的吸収帯域を選択的な波長
で照射して加熱する事で試料の固溶層の界面を下に凹の
形状として融体の流出を防止し大口径の試料の溶解を可
能とする。（中央部が高温で側面が低温になるから、） また、金属などの不透明な材料の場合は従来誘導加熱で
加熱していたため溶融域が非常い大きくなってしまい大
開口の処理は難しかった。しかしここで提案する方法に
よるとプラズマランプの形状やパワーを調整して溶融部
を適当な範囲に設定できるので従来の浮遊帯域法よりも
大きな直径のものが処理可能となる。

さらに発光スペクトラムを紫外領域から赤外領域まで選
択できるので広範囲な試料を加熱することが出来る。特
にガラスをイメージ加熱で融解できるのでファイバケー
ブルの効率を飛躍的に向上させる純粋な赤外ガラスの宇
宙製造および地上製造に極めて有効である。

また、さらに、試料を均一に加熱できるので回転をあま
り必要とせず低速回転で結晶成長が可能なため特に微小
重力における結晶の泡の除去が可能となる。すなわち泡
を熱勾配による対流で外側に移動する事ができる。

さらに、無電極放電を利用するためランプの寿命が極め
て長＜　１００００時間以上可能なため従来の１００倍
の長寿命の炉を提供する事ができる。

さらに、ランプが小型軽量なため保管場所を小さくでき
宇宙においては極めて重要な利点となる。さらに別の発
明では円盤型プラズマランプの発光が円盤型であるため
円盤の厚みを調整して試料の加熱領域の形状を調整でき
るとともに９円盤型プラズマランプの向きを回転させて
試料の温度勾配を急峻にしたり緩くしたり調節できるの
で。

結晶成長に適した加熱領域を選択することが出来る。従
って、結晶にクラックの無い高品質なものを得る事がで
きる。

また、この発明に係わる他の実施例においては、空胴共
振器をコツプ状にしているため楕円体鏡の形状や大きさ
に影響されず、同一の円盤型プラズマランプを様々な形
状の楕円体鏡に対応させる事が出来る。また、試料に合
わせて円盤型プラズマランプの形状や発光スペクトラム
を変えるための交換を容易に行なうことができ材料の処
理に非常に有効な手段となる。

さらに別の発明によれば円柱型マイクロ波放電ランプの
発光が円柱型であるため試料（８）の温度勾配を急峻に
、または非常に長い範囲（１０１〜５０ｍｆｆ１程度）
で緩（設定することができ、結晶成長に適した加熱領域
を選択することが出来る。

また、この発明に係る他の実施例においては。

空胴共振器をコツプ状にしているため楕円体鏡の形状や
大きさに影響されず、同一のマイクロ波放電ランプを様
々な形状の楕円体鏡に対応させる事が出来る。また、試
料に合わせてマイクロ波放電ランプの形状や発光スペク
トラムを変えるための交換を容易に行なうことができ材
料の処理に非常に有効な手段となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第２図は円
盤型プラズマランプの構成を説明する図、第３図は試料
の表面の光量分布の解析結果を示す図、第４図は加熱実
験のデータを示す図、第５図はタングステン試料におけ
る最高到達温度の解析結果を示す図、第６図はこの発明
の他の実施例を示す断面図、第７図はこの発明の他の実
施例における円盤型プラズマランプの構成を説明する図
、第８図はこの発明の別の発明の詳細な説明する図、第
９図は円柱型プラズマランプの構成を説明する図、第１
０図は他の実施例の構成図、第１）図は他の実施例の円
柱型プラズマランプの構成を説明する図、第１２図は別
の発明の構成図。 第１３図は他の実施例の球型プラズマランプの構成を説
明する図、第１４図はさらに他の発明の構成図、第１５
図、第１６図は他の実施例を示す図、第１′８１図は従
来のイメージ加熱装置を示す図である。図において、（
１）は楕円体鏡、　ｆ２Ａ）は円盤型プラズマランプ、
　Ｔ２Ｂ＋は円柱型プラズマランプ、　（２Ｄ）は球共
振型プラズマランプ、（３）は支持具、（４）は電波遮
蔽板、（５）は空胴共振器、（６）は導波管、（７）は
高周波発振器、（８）は試料。 （９）は光、　　（１０）はコツプ状電波遮蔽器、　（
１））はキセノンランプ、　　（１２）は電源、　　ｆ
１３１はワイヤ。 （１４）は窓、　　（１５１は回転具、　（１６１は電
波遮蔽球。 （１７）はかん合部、　（１８１は口金、　　（１９）
はガラス球、　　（２０１は密閉板、　　（２１）は不
活性ガスである。 なお５図中同一行号は同一または相当部分を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）楕円体の反射面を内側に有する１個または複数の
   楕円体鏡と、この楕円体鏡の焦点に置かれたプラズマ発
   光手段を備え、このプラズマ発光手段の光が上記楕円体
   鏡共通の他の焦点に集光され、ここに置かれた試料を加
   熱する事を特徴とするプラズマランプイメージ加熱装置
   。
2. （２）プラズマ発光手段として円盤型プラズマランプと
   、楕円体鏡の側端部において、その内面に取り付けられ
   た空胴共振器と、この空胴共振器に円盤型プラズマラン
   プを収納し、空胴共振器に電磁波を注入する高周波発振
   器を備えたことを特徴とする請求項（１）記載のプラズ
   マランプイメージ加熱装置。
3. （３）プラズマ発光手段として円柱型マイクロ波放電ラ
   ンプと、楕円体鏡の側端部において、その内面に取り付
   けられた空胴共振器に円柱型マイクロ波放電ランプを収
   納し、ここに電磁波を注入する高周波発振器を備えたこ
   とを特徴とする請求項（１）記載のプラズマランプイメ
   ージ加熱装置。
4. （４）プラズマ発光手段として金網を中間に挟んだガラ
   ス体で形成した空胴共振器の中の上記マイクロ波放電ラ
   ンプを入れ、上記空胴共振器の中にガスを満たした上記
   空胴共振器の口金付近で密封し、この空胴共振器に電磁
   波を注入する高周波発振器を備えたことを特徴とする請
   求項（１）記載のプラズマランプイメージ加熱装置。