JPH11302095A - 集光加熱装置及び集光加熱式単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶径を大きくしても高品質な単結晶を育成
できると共に、ランプのフィラメントの位置合わせの許
容量の大きい集光加熱装置の実現。 【解決手段】 コイル状のフィラメント14を有するラン
プ４と、一方の焦点11に配置されたランプのフィラメン
ト14から放射される光束を他方の焦点12に収束する収束
ユニット5 とを備え、収束ユニットの他方の焦点12に配
置された物体1,2,3 を加熱する集光加熱装置において、
ランプのフィラメント14はコイル軸の方向から見た形状
が楕円である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハロゲンランプな
どのフィラメントを有するランプを光源（熱源）とし、
浮遊溶融帯(Floating Zone) 法（以下、ＦＺ法と称す
る。）又は溶媒移動浮遊溶融帯(Travelling Solvent Fl
oating Zone)法（以下、ＴＳＦＺ法と称する。）による
単結晶製造で使用される集光加熱装置及びそれを使用し
た集光加熱式単結晶製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＦＺ法は、図１に示すように、結晶原料
棒（Ｆｅｅｄ）１及び種結晶（Ｓｅｅｄ）３を一方の端
が接触するように鉛直方向に同軸で保持し、その接触部
分を加熱溶融して溶融帯（Ｚｏｎｅ）２を作り、Ｆｅｅ
ｄ１とＳｅｅｄ３を図示の育成方向に徐々に移動させる
ことによりＺｏｎｅ２の位置がＦｅｅｄ１側に移動し、
Ｓｅｅｄ３の単結晶を育成する方法である。Ｚｏｎｅ２
ではＦｅｅｄ１の原料が溶融され、溶融した原料がＳｅ
ｅｄ３に析出する。ＴＳＦＺ法も基本的な構成は同じで
あるが、Ｚｏｎｅ２に溶媒（フラックス）を用いる点が
異なる。Ｚｏｎｅ２を加熱する加熱源としては、レー
ザ、アーク・イメージ、ハロゲンランプなどが使用され
る。レーザを使用する場合には、レーザビームをＺｏｎ
ｅ２に収束するためにレンズなどが使用される。アーク
・イメージ、ハロゲンランプなどを使用する場合は、レ
ンズも使用できるが、反射鏡を利用してＺｏｎｅ２に光
束を収束するのが一般的である。

【０００３】図２は、ハロゲンランプ４と回転楕円面鏡
５を用いた赤外線集中加熱形の集光加熱装置を使用した
ＦＺ法単結晶製造装置の構成を示す図である。図２に示
すように、このＦＺ法単結晶製造装置においては、石英
ガラス管１３内に結晶原料棒（Ｆｅｅｄ）１を保持する
上主軸８と、種結晶（Ｓｅｅｄ）３を保持する下主軸７
が設けられている。上主軸８と下主軸７は、同期して回
転しながら上下方向に移動できるようになっている。石
英ガラス管１３の内部は、雰囲気ガス入口１０ａから供
給され雰囲気ガス出口１０ｂから排出される適当な雰囲
気ガスで満たされている。参照番号５は回転楕円面鏡
で、一方の焦点１１にはハロゲンランプ１１が配置さ
れ、他方の焦点１２にはＦｅｅｄ１とＳｅｅｄ２の接触
部分が配置される。焦点１２の部分ではハロゲンランプ
１１から放射された赤外線などの光束が収束されて高温
になるので、Ｆｅｅｄ１とＳｅｅｄ３の接触部分は溶融
帯（Ｚｏｎｅ）２が形成される。ＴＶカメラ９は、Ｚｏ
ｎｅ２の溶融状態を監視するために設けられている。

【０００４】ＦＺ法及びＴＳＦＺ法は、Ｚｏｎｅ２が表
面張力で保持されているため、ルツボを必要としない。
そのため、高融点材料の単結晶育成を行うことができる
という特徴に加えて、ルツボからの不純物の混入がな
く、高品質な結晶を育成しやすいという特徴がある。現
在では口径152.4mm （６インチ）クラスのシリコン(Si)
単結晶や、Y₃Fe₅O₁₂（ＹＩＧ）などの磁性体単結晶、Ｔ
ｉＣなどの高融点金属の単結晶育成に使用されている。

【０００５】図２の装置では、ハロゲンランプ４から放
射される光束を回転楕円面鏡５で収束している。図３
は、その収束状態を説明する図であり、（１）が側面図
を、（２）が上面図を示す。ハロゲンランプ４は、石英
ガラスなどの管内にタングステン線などの線材で作られ
たフィラメント１４を設け、ハロゲン元素で封止してい
る。線材に電流を流すことによりフィラメント１４が高
温になり発光する。フィラメント１４は、線材をコイル
状に巻いたもので、図３の（１）に示すように、コイル
の軸の方向から見た形状は円形である。参照番号１５は
コイルの直径を示す。ハロゲンランプ４は、フィラメン
ト１４が回転楕円面鏡５の一方の焦点１１に位置するよ
うに配置され、他方の焦点１２の部分にフィラメント１
４のイメージ像１６が結像される。図３に示すように、
フィラメント１４は、コイルの軸がＦｅｅｄ１とＳｅｅ
ｄ３の軸に垂直になるように配置される。従って、Ｚｏ
ｎｅ２の長さはフィラメント１４のイメージ像１６の大
きさ、つまり、フィラメント１４のコイルの直径１５に
よって決定されることになる。

【０００６】ＦＺ法及びＴＳＦＺ法による単結晶育成で
は、Ｚｏｎｅ２を表面張力で保持している関係上、その
長さには限界があり、長すぎる場合には溶融した材料が
垂れ落ちてしまう。従って、結晶育成時には、育成に必
要な最適な温度の設定した上で、Ｚｏｎｅ２が適当な長
さ以内であることが必要である。ＦＺ法及びＴＳＦＺ法
による単結晶育成で単位時間当りに得られる結晶の量
は、Ｆｅｅｄ１及びＳｅｅｄ２の直径と結晶の育成速度
の積で表される。従って、単位時間当りに得られる結晶
の量を増加させたい時には、Ｆｅｅｄ１及びＳｅｅｄ３
の直径を大きくして結晶自体の直径を大きくするか、Ｆ
ｅｅｄ１及びＳｅｅｄ３の送り速度を速くすることが考
えられる。しかし、育成速度が速すぎると完成した結晶
中には多数の欠陥が入るため、速度を速くするには限界
がある。従って、高品質の結晶の単位時間当りに得られ
る量を増加させるには、Ｆｅｅｄ１及びＳｅｅｄ３の直
径を大きくすることが望ましい。また、結晶の大口径化
も求められており、この点からもＦｅｅｄ１及びＳｅｅ
ｄ３の直径を大きくすることが求められている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】フィラメント１４の直
径はそのままで単にＦｅｅｄ１及びＳｅｅｄ３の直径を
大きくしただけでは、フィラメント１４及びフィラメン
トのイメージ像１６に対してＦｅｅｄ１及びＳｅｅｄ３
の直径が大きくなってしまうため、軸に垂直な横方向の
全域について結晶育成に必要な温度が得られなくなる。
すなわち、結晶は非対称成長を起こしたり、ＴＳＦＺ法
の場合には、部分的に温度が下がることにより、異相の
結晶を吐き出したりするために、正常な育成を行えなく
なる。

【０００８】そこで、横方向の全域について結晶育成に
必要な温度を得るためには、フィラメント１４の直径１
５を大きくする必要がある。すなわち、フィラメント１
４のイメージ像１６を大きくして横方向の熱部分布を広
くするのである。また、Ｚｏｎｅ２の体積が増加するの
でその分熱量を増加させる必要があるが、ハロゲンラン
プ４の総光量を増加するには、ランプの寿命などを考慮
すればフィラメント１４を大きくする必要がある。

【０００９】しかし、フィラメント１４のコイルの直径
を大きくすると、図４に示すように、溶融帯（Ｚｏｎ
ｅ）２が長くなってしまい、Ｚｏｎｅ２が溶融した材料
の圧力で下側の部分が周囲に広がったようになる。そし
て、最悪の場合、表面張力がＺｏｎｅ２を維持しきれな
くなり、溶融した材料が垂れ落ちてしまい、結晶の育成
を行えなくなる。このように、従来はハロゲンランプ４
のフィラメント径１５によって育成できる結晶径が限ら
れており、結晶径を大きくするのが難しかった。

【００１０】また、赤外線集中加熱形の単結晶育成装置
の問題点の一つとして、フィラメント１４の位置合わせ
が難しいという問題がある。正常に単結晶の育成を行う
ためには、フィラメント１４を正確に焦点１１に位置さ
せる必要があり、合っていない場合には、Ｆｅｅｄ１及
びＳｅｅｄ３の直径が従来程度のものであっても、熱分
布の中心から外れることにより、結晶の非対称成長、異
相の吐き出しなどが起きる。

【００１１】上記のような問題が生じるためにフィラメ
ント直径１５は、あまり大きくできず、通常Ｆｅｅｄ１
及びＳｅｅｄ３の直径程度である。そのため、フィラメ
ント１４のコイルの軸の位置、特に回転楕円面鏡５の長
軸方向の位置決め精度は、非常に厳しい。従来は、セッ
ティング治具や結晶の育成試作によってその位置合わせ
を行っているが、非常に手間のかかる作業となってい
る。

【００１２】本発明はこのような問題を解決するための
もので、本発明の第１の目的は、均質で高品質な単結晶
を育成する場合の単位時間当りの生産量を増加させるこ
とできる集光加熱装置及び集光加熱式単結晶製造装置を
実現することであり、第２の目的は、フィラメントの位
置合わせの許容量が大きくランプのフィラメントの位置
調整が容易であるか又は調整自体を必要としない集光加
熱装置及び集光加熱式単結晶製造装置の実現を目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を実現するた
め、本発明の集光加熱装置は、フィラメントの形状をコ
イルの軸の方向から見たときに、横方向の最大幅と縦方
向の最大幅が異なるようにする。すなわち、本発明の集
光加熱装置は、コイル状のフィラメントを有するランプ
と、一方の焦点に配置されたランプのフィラメントから
放射される光束を他方の焦点に収束する収束ユニットと
を備え、収束ユニットの他方の焦点に配置された物体を
加熱する集光加熱装置において、ランプのフィラメント
の形状は、コイル軸の方向から見たときに、横方向の最
大幅と縦方向の最大幅が異なることを特徴とする。

【００１４】ランプのフィラメントはコイル軸の方向か
ら見たときに楕円であることが望しいが、長方形や菱形
であってもよい。本発明の集光加熱装置は、ランプのフ
ィラメントの形状が、コイル軸に垂直な方向から見たと
きに楕円などのアスペクト比が異なる形状であるため、
溶融帯を長くすることなしに溶融帯の直径を大きくでき
る。従って、結晶原料棒と種結晶を鉛直に同一軸に沿っ
て保持すると共に同一軸に沿って移動させる結晶保持・
移動機構と、集光加熱装置とを備え、結晶原料棒と種結
晶の接続部分が、集光加熱装置によって加熱される集光
加熱式単結晶製造装置に、本発明の集光加熱装置を使用
すれば、結晶原料棒と種結晶の直径を大きくでき、調整
も容易である。

【００１５】上記のように収束ユニットは、回転楕円面
の一部を反射面とする反射鏡であることが望ましいが、
球面レンズなどを使用する場合にも適用可能である。ま
た、収束ユニットを、１つの焦点を共有する複数の異な
る収束エレメント、例えば、複数の回転楕円面鏡で構成
することができる。共通な焦点に結晶原料棒と種結晶棒
の接触点である溶融帯を配置し、他の焦点にランプのフ
ィラメントを配置する。これにより、溶融帯に供給する
エネルギを増加させることが可能になる。

【００１６】

【発明の実施の形態】第１実施例で使用する集光加熱式
単結晶製造装置は、従来技術の項で既に説明した図２に
示すような構成を有し、ハロゲンランプ４のフィラメン
トの形状のみが異なる。図５は、第１実施例におけるハ
ロゲンランプ４のフィラメント１４の形状、及び回転楕
円面鏡５によって形成されるフィラメント１４のイメー
ジ像１６に対する結晶原料棒（Ｆｅｅｄ）１と、種結晶
（Ｓｅｅｄ）３と、溶融帯（Ｚｏｎｅ）２の位置関係を
示す図であり、従来例の図３に対応する図である。

【００１７】図示のように、ハロゲンランプ４のフィラ
メント１４の形状は、コイル軸の方向から見たときに楕
円であるように線材を巻いている。ハロゲンランプにつ
いてはよく知られているので、ここではこれ以上の説明
を省略する。フィラメント１４のコイル軸の方向から見
た形状が楕円であるため、フィラメント１４のイメージ
像１６も楕円となる。従って、ランプ４とＦｅｅｄ１及
びＳｅｅｄ３を図５のように配置すれば、Ｚｏｎｅ２の
長さは楕円形のフィラメント１４の短辺の長さで規定さ
れ、Ｚｏｎｅ２の水平面内（横方向）の大きさは楕円形
のフィラメント１４の長辺の長さと、フィラメント１４
の長さで規定されることになり、フィラメント１４の楕
円形状及び長さを適当し設定することにより、Ｚｏｎｅ
２の軸方向の長さを長くすることなしに、水平面内の熱
分布のみを広くすることができる。

【００１８】図６は、第１実施例におけるＺｏｎｅ２の
部分の温度分布の測定例を示す図である。図示のよう
に、軸方向（鉛直方向）の高温の範囲は狭いが、軸に垂
直な方向（水平方向）の高温の範囲は広くなっている。
なお、参考のために、従来例における水平方向の温度分
布を破線で示す。従って、Ｆｅｅｄ１とＳｅｅｄ３の直
径を従来より大きくしても直径の全域にわたって十分な
加熱が行える。しかも、Ｚｏｎｅ２の鉛直方向の長さ
は、従来と同様に問題を生じない程度に短くできるの
で、結晶品質を低下させることなく結晶を育成すること
ができる。これにより、単位時間当りの生産量を増大さ
せて高品質の結晶を製造できる。

【００１９】また、軸に垂直な方向の熱分布が従来より
も広くなっていることから、正常に結晶を育成するにあ
たってのフィラメント１４の位置の焦点からのずれの許
容量も大きくなる。すなわち、従来高い位置合わせ精度
が要求された水平面内、特に回転楕円面鏡５の長辺の方
向の熱分布が広くなっているため、多少のセッティング
のずれがあっても正常な結晶育成が可能である。

【００２０】ここで、第１実施例のより具体的な例を説
明する。この具体例の装置では、例えば、石英ガラス管
１３の直径が６０ｍｍ程度で、結晶材料棒（Ｆｅｅｄ）
１及び種結晶棒（Ｓｅｅｄ）３の直径が１０ｍｍ程度
で、回転楕円面鏡５は短辺が２１０ｍｍで、長辺が２２
０ｍｍである。回転楕円面鏡５は、真鍮材をくり抜いた
もので、内部の表面に金メッキが施されている。ハロゲ
ンランプ４は、回転楕円面鏡５に空けた穴を通してフィ
ラメントが焦点に位置するように配置され、回転楕円面
鏡５の外に設けたランプホルダに保持される。ランプホ
ルダはＸＹＺステージに取り付けられ、フィラメントが
焦点に位置するように調整できるようになっている。ハ
ロゲンランプ４は、長さが１６０ｍｍ程度で、フィラメ
ント１４の部分の管球の直径が４５ｍｍ程度である。フ
ィラメント１４は、線材を小さな直径のコイル状に巻い
たコイル材を大きなコイルとなるように巻いた２重螺旋
形のフィラメントで、大きなコイルは軸方向から見た時
に長辺が１５ｍｍ程度で、短辺が１０ｍｍ以下の楕円
で、長さが２５ｍｍ程度である。使用時には定格より低
い電圧を印加しており、フィラメントの温度は約１６０
０°Ｃである。このような条件で、Ｚｏｎｅ２のもっと
もくびれた部分の直径が４〜９ｍｍで、長さが８〜９ｍ
ｍであった。

【００２１】なお、この具体例は一例であり、育成する
結晶の種類、結晶棒の直径、育成速度などに応じて、Ｚ
ｏｎｅ２の温度、長さなどが適当な状態になるように、
フィラメントの形状、温度、総光束、などを設定する必
要がある。例えば、密度の高い物質の場合、その重さの
ためにＺｏｎｅ２全体がＳｅｅｄ３側に偏ってしまい、
Ｚｏｎｅ２のくびれの位置はかなり上側に位置するの
で、Ｚｏｎｅ２が十分に小さくないと溶融した材料が垂
れ落ちることになる。また、物質によって溶融する温度
を異ならせる必要がある。また、フィラメントも２重螺
旋形とは限らず、１重のものを使用してもよい。なお２
重螺旋形の場合、小さな直径のコイル状に巻いたコイル
材は線材に相当するものとし、それを巻いた大きなコイ
ルの形状を、大きなコイルの軸方向から見た時にアスペ
クト比が異なるようにする。

【００２２】第１実施例では、回転楕円面鏡５は１個
で、一方の焦点にハロゲンランプのヒラメントを配置
し、他方の焦点に結晶原料棒（Ｆｅｅｄ）１と種結晶棒
（Ｓｅｅｄ）３の接触部である溶融帯（Ｚｏｎｅ）２を
配置した。この配置ではＺｏｎｅ２に供給できる光束は
１個のハロゲンランプの出力する総光束に制限される。
Ｚｏｎｅ２の部分に供給される総エネルギでＺｏｎｅ２
の部分の温度が決定されるので、Ｚｏｎｅ２の部分を非
常な高温にするにはハロゲンランプの出力を増大させる
必要、すなわちフィラメントの温度を高くする必要があ
る。しかし、フィラメントの温度をあまり高くするのは
ハロゲンランプの耐久性などの点から問題がある。そこ
で、複数のハロゲンランプを使用するようにしたのが、
第２実施例である。

【００２３】図７は、第２実施例の回転楕円面鏡の例で
あり、（１）は２個の回転楕円面鏡を組み合わせた例
を、（２）は４個の回転楕円面鏡を組み合わせた例を示
す。図７の（１）では、２個の回転楕円面鏡５ａと５ｂ
を焦点が一致するように配置する。Ｆｅｅｄ１とＳｅｅ
ｄ３はＺｏｎｅ２が一致した焦点に位置するように配置
し、２個のハロゲンランプ４ａと４ｂは回転楕円面鏡５
ａと５ｂの別の焦点に配置する。これにより、Ｚｏｎｅ
２には２個のハロゲンランプ４ａと４ｂから放射される
光束が収束されることになるので、Ｚｏｎｅ２の温度を
１個の回転楕円面鏡と１個のハロゲンランプの場合より
高くすることができる。もちろん、回転楕円面鏡の切り
欠かれる部分の割合は、１個の場合より大きくなるの
で、２個の回転楕円面鏡と２個のハロゲンランプを使用
してもＺｏｎｅ２に２倍のエネルギが収束されるわけで
はないが、１個の場合より温度を高くすることができ
る。なお、ハロゲンランプ４ａと４ｂのフィラメント
は、第１実施例と同様に、コイルの軸方向から見た形状
が楕円である。

【００２４】図７の（２）に示すように、４個の回転楕
円面鏡５１ａ〜５１ｄと４個のハロゲンランプ５２ａ〜
５２ｄを配置することも可能である。この場合も、ハロ
ゲンランプ５２ａ〜５２ｄのフィラメントは、第１実施
例と同様に、コイルの軸方向から見た形状が楕円であ
る。以上フィラメントの形状が、コイル軸方向から見た
時に楕円である例を説明したが、例えば、図８の（１）
に示すような長方形や、図８の（２）に示すような菱形
としても類似の効果が得られる。なお、図８は１重螺旋
形のコイルで、コイル軸の方向から見た形状を示す。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
フィラメントのコイルの形状を従来の円形から、縦横の
アスペクト比が異なる楕円形とすることで、溶融帯の軸
方向の長さを長くすることなしに、横方向の熱分布のみ
を広くできる。これにより、結晶原料棒と種結晶棒の直
径を従来よりも大きくして結晶育成を行えるようにな
り、結晶品質を低下させることなしに、単位時間当りの
生産量を増大させることが可能になる。

【００２６】また、横方向の熱分布が広くなるので、フ
ィラメントのセッティングの許容量が大きくなり、集光
加熱装置及びそれを使用した集光加熱式単結晶製造装置
の取扱いがより容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】浮遊溶融帯（ＦＺ）法の原理を説明する図であ
る。

【図２】ハロゲンランプと回転楕円面鏡を用いた赤外線
集中加熱形の集光加熱装置を使用したＦＺ法単結晶製造
装置の構成を示す図である。

【図３】従来例におけるハロゲンランプのフィラメント
の形状、及び回転楕円面鏡によって形成されるフィラメ
ントのイメージ像に対する結晶原料棒と、種結晶と、溶
融帯の位置関係を示す図である。

【図４】従来例において、フィラメントのコイル形を大
きくした場合の問題を説明する図である。

【図５】第１実施例におけるハロゲンランプのフィラメ
ントの形状、及び回転楕円面鏡によって形成されるフィ
ラメントのイメージ像に対する結晶原料棒と、種結晶
と、溶融帯の位置関係を示す図である。

【図６】第１実施例における溶融帯部分の温度分布の測
定例を示す図である。

【図７】第２実施例における回転楕円面鏡、ランプ、及
び溶融帯の位置関係を示す図である。

【図８】フィラメントの他の形状例を示す図である。

【符号の説明】

１…結晶原料棒（Ｆｅｅｄ） ２…溶融帯（Ｚｏｎｅ） ３…種結晶棒（Ｓｅｅｄ） ４…ハロゲンランプ ５…回転楕円面鏡 １１、１２…焦点

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コイル状のフィラメントを有するランプ
   と、 一方の焦点に配置された前記ランプのフィラメントから
   放射される光束を他方の焦点に収束する収束ユニットと
   を備え、 前記収束ユニットの前記他方の焦点に配置された物体を
   加熱する集光加熱装置において、 前記ランプのフィラメントの形状は、コイル軸の方向か
   ら見たときに、横方向の最大幅と縦方向の最大幅が異な
   ることを特徴とする集光加熱装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の集光加熱装置であっ
   て、 前記ランプのフィラメントの形状は、コイル軸の方向か
   ら見たときに楕円である集光加熱装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の集光加熱装置であっ
   て、 前記収束ユニットは、回転楕円面の一部を反射面とする
   反射鏡である集光加熱装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の集光加熱装置であっ
   て、 前記収束ユニットは、前記他方の焦点が同じ位置になる
   ように配置された複数の異なる収束エレメントで構成さ
   れ、 前記ランプは、フィラメントが各収束エレメントの前記
   一方の焦点に配置された複数のランプで構成され、 前記複数のランプの少なくとも１つのフィラメントのコ
   イルは、該コイル軸の方向から見た形状が楕円である集
   光加熱装置。
5. 【請求項５】 結晶原料棒と種結晶を鉛直に同一軸に沿
   って保持すると共に該同一軸に沿って移動させる結晶保
   持・移動機構と、 請求項１から３のいずれか１項に記載の集光加熱装置と
   を備え、 前記結晶原料棒と種結晶の接続部分が、前記集光加熱装
   置の前記他方の焦点位置に位置するように配置した集光
   加熱式単結晶製造装置。