(57)【要約】      （修正有）【課題】複数のレーザ光源を必要とせずに、各レーザ光の周方向の強度分布の均等化が可能な単結晶育成装置を提供する。【解決手段】円柱状試料Ｓの被加熱部に、この試料Ｓの軸心方向から見て試料と直交する方向から加熱用レーザ光Ｌを照射することによって単結晶を育成する単結晶育成装置である。加熱用レーザ光Ｌを照射する複数のレーザ光源が試料の周方向に沿って複数個配設される。各レーザ光源から試料Ｓに照射されるレーザ光Ｌは所定幅Ｗを有する。レーザ光Ｌのレーザ強度を、照射幅方向中央部よりも照射幅方向端部側を高める強度調整手段を設けた。【選択図】図１
2014231459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状試料の被加熱部に、この試料の軸心方向から見て試料と直交する方向から加熱用レーザ光を照射することによって単結晶を育成する単結晶育成装置であって、
加熱用レーザ光を照射する複数のレーザ光源が前記試料の周方向に沿って複数個配設され、各レーザ光源から試料に照射されるレーザ光は所定幅を有し、かつ、レーザ光のレーザ強度を、照射幅方向中央部よりも照射幅方向端部側を高める強度調整手段を設けたことを特徴とする単結晶育成装置。
【請求項２】
強度調整手段は、レーザ光路上に配設される光学系にて構成されることを特徴とするセ請求項１に記載の単結晶育成装置。
【請求項３】
光学系は、照射幅方向中央部に入光したレーザ光を照射幅方向端部側に屈折させるレンズを備えることを特徴とする請求項２に記載の単結晶育成装置。
【請求項４】
各レーザ光源から試料に照射される複数のレーザ光にて、試料の全周への照射か可能であり、強度調整手段の調整で、試料に照射されるレーザ光の全周におけるレーザ強度を均一化したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の単結晶育成装置。
【請求項５】
レーザ光源が、前記試料の周方向に沿って少なくとも３個されることを特徴とする請求項４に単結晶育成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶育成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶育成装置は、図８及び図９に示すように、対称形の２つの楕円面鏡８１，８２を有し、各々の一方の焦点Ｆ０，Ｆ０（図８参照）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８１，８２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８１，８２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８３，８４が固定配置してある。各回転楕円面鏡８１，８２の一致した焦点Ｆ０には被加熱部８５が位置し、上方から鉛直方向に延びる上結晶駆動軸８６の下端に固定した原料棒８７と、下方から鉛直方向に延びる下結晶駆動軸８８の上端に固定された種結晶棒８９とを突き合わせてある。前記上結晶駆動軸８６および下結晶駆動軸８８は、図示するように、保持部材９０，９１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。
【０００３】
前記原料棒８７および種結晶棒８９が配置された空間ｍ1を、赤外線ランプ８３，８４が配置された空間ｍ2と区画して、単結晶育成室９２を形成する透明な石英管９３を設けて、上記単結晶育成室９２に結晶育成に対して好適な不活性ガス等を充満させる。
【０００４】
この単結晶育成装置によれば、回転楕円面鏡８１，８２の第１，第２の焦点Ｆ１，Ｆ２に配置された赤外線ランプ８３，８４から照射される赤外線を、上記回転楕円面鏡８１，８２で反射させ、共通の焦点Ｆ０に位置する被加熱部８５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８５の原料棒８７の下端および種結晶棒８９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、原料棒８７と種結晶棒８９間の被加熱部８５に溶融帯を形成させる。
【０００５】
そして、下端に原料棒８７を固定した上結晶駆動軸８６と上端に種結晶棒８９を固定した下結晶駆動軸８８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８７と種結晶棒８９間の溶融帯９４が次第に原料棒８７側に移動し、その後、結晶が成長して単結晶が育成される。なお、図８における８７ａは原料棒８７側の固液界面を示し、８９ａは種結晶棒８９側の固液界面を示している。
【０００６】
前記単結晶育成装置では、加熱源に赤外線ランプ８３，８４を用いていた。これに対して、近年では、加熱源としてレーザ源を用いたものがある（特許文献１）。赤外線ランプなどの加熱源に比較して、レーザ源の全加熱エネルギーを直接、被加熱部に供給することができ、従来の回転楕円面鏡が不要で構成が著しく簡単になり、点検や保守も容易になる。また、レーザ源はレーザの直進性によりその配設位置が、従来の赤外線ランプのように回転楕円面鏡の一方の焦点に限定されないので、被加熱部から離隔して配設することが可能で、複数のレーザ源を被加熱部の周囲に配置することが容易に実現可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１４５６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、図７に示すように、レーザ光源からレーザ光Ｌを被加熱部に照射した場合、試料Ｓの被加熱部としては、円柱形状をなすものであるので、周方向に沿って均一強度に照射することはできない。すなわち、試料Ｓ表面上において、幅方向中間部に比べて幅方向端部側の強度が弱くなる。
【０００９】
このように、周方向に沿って均一強度に照射することができず、均一強度に照射できなれば、高品質の単結晶を安定して形成しにくいものである。このため、従来では、周方向の強度分布を均一化を図る必要があった。
【００１０】
しかしながら、レーザ光Ｌの幅方向端部側においてはレーザ強度が小であるため、周方向の強度分布の均一化を図るためには、レーザ光源を複数個用い、かつ、各レーザ光Ｌの幅（ビームの幅Ｗ）を図７に示すように、試料Ｓの外径寸法Ｄより大きく設定し、周方向に隣り合うレーザ光の幅方向端部同士を重ね合わせる必要がある。このため、レーザ光源は複数個が必要となる。
【００１１】
このように、レーザ光源を複数個必要として、装置全体の大型化を必要するとともに、コスト高となる。しかも、レーザ光源を複数個配置しても、周方向の強度分布の均一化には不十分であり、安定した単結晶育成を行うことができなかった。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みて、複数のレーザ光源を必要とせずに、各レーザ光の周方向の強度分布の均等化が可能な単結晶育成装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の単結晶育成装置は、円柱状試料の被加熱部に、この試料の軸心方向から見て試料と直交する方向から加熱用レーザ光を照射することによって単結晶を育成する単結晶育成装置であって、加熱用レーザ光を照射する複数のレーザ光源が前記試料の周方向に沿って複数個配設され、各レーザ光源から試料に照射されるレーザ光は所定幅を有し、かつ、レーザ光のレーザ強度を照射幅方向中央部よりも照射幅方向端部側を高める強度調整手段を設けたものである。
【００１４】
本発明の単結晶育成装置によれば、強度調整手段にて、レーザ光のレーザ強度を、照射幅方向中央部よりも照射幅方向端部側を高めることができる。これによって、試料表面上の各レーザ光の強度を周方向に沿ってほぼ均一とすることができる。
【００１５】
強度調整手段を、レーザ光路上に配設される光学系にて構成することができる。この光学系は、照射幅方向中央部に入光したレーザ光を照射幅方向端部側に屈折させるレンズを備えるものが好ましい。
【００１６】
各レーザ光源から試料に照射される複数のレーザ光にて、試料の全周への照射か可能であり、強度調整手段の調整で、試料の全周におけるレーザ強度が均一化するものであってもいい。この際、レーザ光源が、前記試料の周方向に沿って少なくとも３個配置されるものとできる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、試料表面上の各レーザ光の強度を周方向に沿ってほぼ均一とすることができ、高品質の単結晶を安定して形成できる。
【００１８】
強度調整手段としては、照射幅方向中央部に入光したレーザ光を照射幅方向端部側に屈折させるレンズを備えた光学系で構成でき、構造として簡略化を図ることができる。強度調整手段の調整で、試料に照射されるレーザ光の全周におけるレーザ強度が均一化することができるものであれば、高品質の単結晶をより安定して形成できる。レーザ光源が、前記試料の周方向に少なくとも３個あれば、試料表面の全周において、レーザ光の強度をほぼ均一にすることができる。このため、加熱手段としてレーザ光を用いた従来のように、レーザ光源を複数個揃えなくてもよく、装置全体の大型化を招かず、しかも、低コスト化にも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態を示す単結晶育成装置の簡略平面図である。
【図２】レーザ光が強度調整手段を介さない状態でのスポット形状を示す簡略図である。
【図３】前記単結晶育成装置の要部断面図である。
【図４】前記単結晶育成装置の強度調整手段の簡略平面図である。
【図５】前記単結晶育成装置の他の強度調整手段の簡略平面図である。
【図６】前記単結晶育成装置の別の強度調整手段の簡略平面図である。
【図７】従来の単結晶育成装置の簡略平面図である。
【図８】従来の単結晶育成装置の断面図である。
【図９】前記図８のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１０】単結晶育成試料の溶融部乃至固化部を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
【００２１】
図１と図３とは、加熱手段としてレーザ光を用いる単結晶育成装置を示し、この場合、レーザ源１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ）を、周方向に沿って所定ピッチ（具体的には、１２０度ピッチ）で３機配設されている。レーザ光照射部１４は、上方から鉛直方向に延びる上結晶駆動軸１５の下端に固定した原料棒１６と、下方から鉛直方向に延びる下結晶駆動軸１７の上端に固定された種結晶棒１８とを突き合わせたものである。前記上結晶駆動軸１５および下結晶駆動軸１７は、保持部材１９，２０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、同期あるいは非同期で、昇降自在に保持されている。
【００２２】
前記原料棒１６および種結晶棒１８が配置された空間ｍ1を、レーザ源１１〜１３が配置された空間ｍ2と区画して、単結晶育成室２１を形成する透明な石英管２２を設けて、上記単結晶育成室２１に結晶育成に対して好適な雰囲気ガスを充満させている。
【００２３】
前記の単結晶育成装置１０によれば、レーザ源１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ）から照射されるレーザＬ（Ｌ１、Ｌ２，Ｌ３）を、被加熱部１４に集中させてレーザ加熱する。そして、下端に原料棒１６を固定した上結晶駆動軸１５と上端に種結晶棒１８を固定した下結晶駆動軸１７とを回転させ、かつ、同期あるいは非同期で、ゆっくり下方に向かって移動させる。
【００２４】
ところで、この単結晶育成装置は、レーザ光Ｌ（Ｌ１、Ｌ２，Ｌ３）のレーザ強度を、照射幅方向中央部よりも照射幅方向端部側を高める強度調整手段２５を設けている。強度調整手段２５は、図４に示すように、レーザ光路上に配設される光学系にて構成される。この場合のレーザ光Ｌとしては、図２に示すように、所定の幅寸法Ｗと所定の長さ寸法（高さ寸法）Ｈとを有する矩形レーザである。レーザ光Ｌとして、この実施形態では、被加熱部（試料）１４の外径寸法Ｄよりも大きく設定されているが、レーザ光Ｌの幅寸法Ｗが試料１４の外径寸法Ｄと同一乃至外径寸法Ｄよりも大きければよい。
【００２５】
所定寸の矩形レーザとしては、矩形状のパイプ材からなるガイド材（図示省略）を通過することによって形成される。すなわち、レーザ光源１１からのレーザ光がガイド材を通過する際に、ガイド材の内面に反射して、スポット形状が矩形状となる。
【００２６】
図４に示す光学系としてはロッドレンズ２６を用いている。この場合、ロッドレンズ２６は、試料Ｓの被加熱部１４の直前にその軸心がレーザ光Ｌの照射方向に対して、直交するように配設される。また、ロッドレンズ２６は、レーザ光Ｌの幅寸法Ｗに対して、外径寸法Ｄ１を小さく設定して、レーザ光Ｌの幅方向中間部に配設される。
【００２７】
このため、このロッドレンズ２６よりも外径側を通過する光線は、このまま試料Ｓの外径側に照射され、ロッドレンズ２６を通過する光線は、矢印のように拡散されることになる。したがって、試料Ｓの外径面上において、レーザ光Ｌのレーザ強度を、照射幅方向中央部よりも照射幅方向端部側を高めることができる。すなわち、レーザ光Ｌの試料照射端５０のレーザ強度を周方向に沿って均一化することができる。
【００２８】
強度調整手段２５の光学系としては、図５に示すような非球面レンズ２７を用いてもよい。すなわち、この非球面レンズ２７は、反試料側に凹部２８を有するブロック体からなり、光源対応面２９及び試料対応面３０がフラット面とされている。このため、凹部２８に入光した光線が幅方向外方へ拡散され、凹部２８よりも幅方向外方に入光した光線はそのまま直進することになる。したがって、このような非球面レンズ２７を用いても、試料Ｓの外径面上において、レーザ光Ｌのレーザ強度を、照射幅方向中央部よりも照射幅方向端部側を高めることができる。なお、図例では、非球面レンズ２７では、幅寸法が、レーザ光Ｌの幅方向寸法よりも小とされ、この非球面レンズ２７の幅方向端部がレーザ光Ｌの幅方向端部よりも幅方向外方に突出しないものとなっている。しかしながら、非球面レンズ２７の幅方向端部がレーザ光Ｌの幅方向端部よりも幅方向外方に突出するものであってもよい。
【００２９】
図６に示す強度調整手段２５では、光学系として、一対のプリズム３１，３２で構成される。一方(光源側)のプリズム３１は、断面扁平二等辺三角形のブロック体からなり、底辺３１ａが試料側に配置されて、一対の斜辺３１ｂ、３１ｃが光源側に配設される。また、他方(試料側)のプリズム３２は、光源側に断面扁平二等辺三角形の凹部３２ｂが形成されたブロック体からなり、試料対応面３２ａがフラット面とされている。
【００３０】
このため、第１のプリズム３１の頂点部に入光した光線は、拡散して第２のプリズム３２の凹部３２ｂに入光し、この凹部３２ｂに入った光線は、試料Ｓに向かって直進する。また、第１のプリズム３１の幅方向端部側に入った光線はそのまま直進して、第２のプリズム３２の凹部３２ｂに入光し、この凹部３２ｂに入った光線はそのまま試料に向かって直進する。
【００３１】
したがって、このような一対のプリズム３１，３２を用いても、試料Ｓの外径面上において、レーザ光Ｌのレーザ強度を、照射幅方向中央部よりも照射幅方向端部側を高めることができる。この場合、一対のプリズム３１，３２の幅寸法が、レーザ光Ｌの幅方向寸法よりも大とされ、プリズム３１，３２の幅方向端部がレーザ光Ｌの幅方向端部よりも幅方向外方に突出している。しかしながら、プリズム３１，３２の幅方向端部がレーザ光Ｌの幅方向端部よりも幅方向外方に突出しないものであってもよい。
【００３２】
本発明では、強度調整手段２５にて、レーザ光Ｌのレーザ強度を、照射幅方向中央部よりも照射幅方向端部側を高めることができる。これによって、試料表面上の各レーザ光Ｌの強度を周方向に沿ってほぼ均一とすることができ、高品質の単結晶を安定して形成できる。
【００３３】
強度調整手段２５としては、照射幅方向中央部に入光したレーザ光Ｌを照射幅方向端部側に屈折させるレンズを備えた光学系で構成でき、構造として簡略化を図ることができる。強度調整手段２５の調整で、試料に照射されるレーザ光Ｌの全周におけるレーザ強度が均一化するものとでき、高品質の単結晶をより安定して形成できる。
【００３４】
レーザ光源１１が、前記試料の周方向に少なくとも３個あれば、試料表面の全周において、レーザ光Ｌの強度をほぼ均一にすることができる。このため、加熱手段としてレーザ光を用いた従来のように、レーザ光源１１を複数個揃えなくてもよく、装置全体の大型化を招かず、しかも、低コスト化にも寄与する。
【００３５】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は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、使用するレーザとしては、固体レーザ、半導体レーザ、液体レーザ、又は気体レーザ等の種々のレーザを用いることができる。また、前記図２に示す単結晶育成装置では、レーザ源１１が、試料の周方向に沿って１２０度ピッチで、３機配置されて、３方向からレーザ光を照射するものであったが、これに限るものではなく、試料の周りに配設されるレーザ源１１の数の増減は任意である。
【００３６】
また、強度調整手段２５として、図４〜図６では、レーザ光Ｌの光路上に配設される光学系で構成していたが、このような光学系を用いない手段にて構成してもよい。すなわち、レーザ光Ｌを発生させるレーザ光源側で、出力を調整で、レーザ光Ｌのレーザ強度を照射幅方向中央部よりも照射幅方向端部側を高めるものであってもよい。
【００３７】
さらに、レーザ光Ｌの光路上にレーザ透過率の相違する透過部材を、レーザ光Ｌのレーザ強度を照射幅方向中央部よりも照射幅方向端部側を高めるように配置するようにしてもよい。すなわち、照射幅方向中央部よりも照射幅方向端部側を透過率が高い部材を配設するようにすることになる。
【００３８】
また、前記実施形態では、レーザ光Ｌの照射方向は、試料Ｓの被加熱部１４に対して試料Ｓの軸心方向と直交する方向であったが、試料Ｓに対して所定角度で傾斜した方向に沿ったものであってもよい。すなわち、試料Ｓの軸心方向から見て試料Ｓと直交する方向からの照射であればよい。
【符号の説明】
【００３９】
１１（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）  レーザ光源
２５  強度調整手段
２６  ロッドレンズ
２７  非曲面レンズ
３１，３２  ロッドレンズ
Ｌ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）  レーザ光
Ｓ  試料
【図１】
2014231459.tif 000003
【図２】
2014231459.tif 000004
【図３】
2014231459.tif 000005
【図４】
2014231459.tif 000006
【図５】
2014231459.tif 000007
【図６】
2014231459.tif 000008
【図７】
2014231459.tif 000009
【図８】
2014231459.tif 000010
【図９】
2014231459.tif 000011
【図１０】
2014231459.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月16日(2014.9.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状試料の被加熱部に、この試料の軸心方向から見て試料と直交する方向から加熱用レーザ光を照射することによって単結晶を育成する単結晶育成装置であって、
加熱用レーザ光を照射する複数のレーザ光源が前記試料の全周への照射が可能なように前記試料の周方向に沿って複数個配設され、各レーザ光源から試料に照射されるレーザ光は所定幅を有し、かつ、レーザ光のレーザ強度を、レーザ光路上に配設され照射幅方向中央部に入光したレーザ光を照射幅方向端部側に屈折させるレンズを備える光学系によって照射幅方向中央部よりも照射幅方向端部側を高める強度調整手段を設け、前記強度調整手段の調整で、試料に照射されるレーザ光の全周におけるレーザ強度を均一化したことを特徴とする単結晶育成装置。
【請求項２】
レーザ光源が、前記試料の周方向に沿って少なくとも３個配設されることを特徴とする請求項１に記載の単結晶育成装置。