(57)【要約】【課題】酸化物、ハロゲン化物、硫化物をはじめとする誘電体の結晶作製が、製造コストを抑えて実施できるようにする。【解決手段】発振部１０１、インバータユニット１０２、整流器ユニット１０３を備える。発振部１０１は、複数の高周波変圧器１０４、高周波コンデンサバンク１０５、対象物に磁界を印加する誘導コイル１０６を備える。インバータユニット１０２は、複数の高周波変圧器１０４の各々に高周波の交流電力を出力する各々独立した複数のインバータ１０７を備える。インバータ１０７は、トランジスタから構成されて入力される直流電流より高周波の交流電力を出力する。整流器ユニット１０３は、複数のインバータ１０７の各々に直流電力を出力する複数の整流器１０８を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の変圧器、高周波コンデンサバンク、対象物に磁界を印加する誘導コイルを備える発振部と、
前記複数の変圧器の各々に高周波の交流電力を出力する各々独立した複数のインバータを備えるインバータユニットと、
前記複数のインバータの各々に直流電力を出力する複数の整流器を備える整流器ユニットと
を備え、
前記インバータは、トランジスタから構成されて入力される直流電流より前記高周波の交流電力を出力し、
前記整流器は、交流電力を前記直流電力に変換する
ことを特徴とする高周波発生装置。
【請求項２】
請求項１記載の高周波発生装置において、
前記トランジスタは、ＳｉＣから構成された電界効果型トランジスタであることを特徴とする高周波発生装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の高周波発生装置において、
前記変圧器は、トロイダルトランスから構成されていることを特徴とする高周波発生装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの高周波発生装置を用いた加熱・溶融装置。
【請求項５】
請求項４記載の加熱・溶融装置において、
一部または全部が、銅、銅を含む合金、サファイア、サファイアを含む結晶のいずれかから構成されたコールド容器を備える
ことを特徴とする加熱・溶融装置。
【請求項６】
請求項４または５の加熱・溶融装置を用いた結晶作製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質の加熱および結晶作製に用いる高周波発生装置、加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
よく知られているように、酸化物、ハロゲン化物、硫化物等の誘電体を引き上げ法などによって単結晶作製する際には、貴金属坩堝を用いた高周波加熱が用いられている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。これまでは、酸化物、ハロゲン化物、硫化物をはじめとする誘電体自体に高周波を加えて溶融する所謂、スカルメルト法では、２〜３インチの単結晶を形成するために、真空管を用いた数十立方メートルの高周波発振器が必要であるためである。これは、誘電体を加熱するためには、数百ＫＨｚから数ＭＨｚ程度の非常に高い周波数で、且つ、数十ＫＷ以上の出力が必要となるためである。このため、現状では、数十ＫＨｚ程度の高周波の印加による昇温が可能な、イリジウム（Ｉｒ）や白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）などの高価な貴金属で作られた坩堝が用いられており、貴金属坩堝を高温に加熱することで誘電体の融点に至る高い温度を得ている。
【０００３】
広く用いられている誘電体の代表例であるタンタル酸リチウム結晶のような圧電結晶や、イットリウムアルミニウムガーネット結晶のような発光体や、サファイアのような基板結晶の作製では、上述した貴金属坩堝を用いて誘電体の溶融体を作り、この溶融体に種結晶を付けて引き上げる（引き上げ法、ＥＦＧ法）、ないしは、熱源を移動させることで温度勾配を作り、結晶化させる（ブリッジマン法、ゾーンメルト法）、ないしは、熱源や容器を移動させることなく熱源や容器をそのまま冷却する（ＨＥＭ法、溶融凝固法）方法により製造されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１９５５７５号公報
【特許文献２】特開平１０−０２５１９５号公報
【特許文献３】特開２００９−００７２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、イリジウム（Ｉｒ）や白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）などの貴金属坩堝は極めて高価であり、また、その修理も高価であることから、上述した結晶作製に大きなコストがかかるという問題があった。このように、製造コストがかかるため、製造するバルク結晶の価格を大きく押し上げる原因となっている。また、坩堝を構成する上述した貴金属は相場で取り引きされており、その取り引き価格も相場に大きく左右され、坩堝の価格も安定していない。
【０００６】
以上に説明したように、従来では、結晶作製の材料を誘導加熱により直接加熱しようとすると、非常に大がかりな装置となり、一方、坩堝を加熱することで所定の温度を得ようとすると、高価な坩堝を用いることになり、酸化物、ハロゲン化物、硫化物をはじめとする誘電体の結晶作製に、非常に高い製造コストがかかるという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、酸化物、ハロゲン化物、硫化物などの誘電体をはじめとする結晶作製が、製造コストを抑えて実施できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る高周波発生装置は、複数の変圧器、高周波コンデンサバンク、対象物に磁界を印加する誘導コイルを備える発振部と、複数の変圧器の各々に高周波の交流電力を出力する各々独立した複数の変換器を備えるインバータユニットと、複数のインバータの各々に直流電力を出力する複数の整流器を備える整流器ユニットとを備え、変換器は、トランジスタから構成されて入力される直流電流より高周波の交流電力を出力し、整流器は、交流電力を直流電力に変換する。
【０００９】
上記高周波発生装置において、トランジスタは、ＳｉＣから構成された電界効果型トランジスタである。
【００１０】
上記高周波発生装置において、変圧器は、トロイダルトランスから構成されている。
【００１１】
本発明に係る加熱・溶融装置は、上述した高周波発生装置を用いている。
【００１２】
上記加熱・溶融装置において、一部または全部が、銅、銅を含む合金、サファイア、サファイアを含む結晶のいずれかから構成されたコールド容器を備える。
【００１３】
本発明に係る結晶作製装置は、上述した加熱・溶融装置を用いている。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したことにより、本発明によれば、酸化物、ハロゲン化物、硫化物をはじめとする誘電体の結晶作製が、より製造コストを抑えて実施できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における高周波発生装置（加熱・溶融装置）の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、周波数を変えた時の整流器ユニット１０３の電圧と、ＳｉＣによる電界効果トランジスタで構成されたインバータ１０７における電流との関係を示す特性図である。
【図３】図３は、周波数を変えた時の整流器ユニット１０３の電圧と、ＳｉＣによる電界効果トランジスタで構成されたインバータ１０７を４つ用いた場合の送電流との関係を示す特性図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における結晶作製装置の構成を示す構成図である。
【図５】図５は、実際に作製したＹ3Ａｌ5Ｏ12（ＹＡＧ）の単結晶を示す写真である。
【図６】図６は、実際に作製したＣｅ：Ｇｄ3（Ｇａ，Ａｌ）5Ｏ12（ＧＡＧＧ）の単結晶を示す写真である。
【図７】図７は、実際に作製したサファイアの単結晶を示す写真である。
【図８】図８は、実際に作製したＬａ3Ｇａ5.5Ｔａ0.5Ｏ14（ＬＴＧ）の単結晶を示す写真である。
【図９】図９は、実際に作製したＬａＦ3の単結晶を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態の高周波発生装置について図１を参照して説明する。この高周波発生装置は、発振部１０１、インバータユニット１０２、整流器ユニット１０３を備える。
【００１７】
発振部１０１は、複数の高周波変圧器１０４、高周波コンデンサバンク１０５、対象物に磁界を印加する誘導コイル１０６を備える。高周波変圧器１０４は、例えば、トロイダルトランスから構成されている。
【００１８】
インバータユニット１０２は、複数の高周波変圧器１０４の各々に高周波の交流電力を出力する各々独立した複数のインバータ１０７を備える。インバータ１０７は、トランジスタから構成されて入力される直流電流より高周波の交流電力を出力する。インバータ１０７を構成するトランジスタは、例えば、ＳｉＣから構成された電界効果型トランジスタである。ＳｉＣは、バンドギャップエネルギーが大きく、これを用いた電界効果型トランジスタは、大きな耐圧を有し、動作可能な温度範囲が広い。このため、水冷など大がかりな冷却機構が必要なく、例えば、小さな空冷ファンを用いた冷却で十分であり、装置をコンパクトにすることができる。
【００１９】
整流器ユニット１０３は、複数のインバータ１０７の各々に直流電力を出力する複数の整流器１０８を備える。整流器１０８は、電源１１１より得られる交流電力を直流電力に変換する。なお、インバータユニット１０２における周波数は、コンピュータにより制御可能な、位相比較器からなる周波数シンセサイザー１１２で制御される信号生成部１１３から出力される制御信号により制御される。例えば、１００〜１５００ｋＨｚまで、５０Ｈｚ間隔で周波数が変更可能である。
【００２０】
上述した高周波発生装置によれば、複数の高周波変圧器１０４の各々にインバータ１０７を備え、複数のインバータ１０７の各々に整流器１０８を備え、インバータ１０７をトランジスタから構成したので、机上に載置可能な大きさで、５００ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の非常に高い周波数で、且つ、２０ＫＷ以上の出力が可能となる。また、この高周波発生装置を用いた加熱・溶融装置によれば、酸化物、ハロゲン化物、硫化物をはじめとする誘電体を、溶融温度にまで直接加熱することが可能となる。
【００２１】
以下、実施例を用いて説明する。以下では、いわゆる引き上げ法による結晶作製を例に説明する。なお、本発明は、ブリッジマン法、ゾーンメルト法、スカルメルト法、熱交換法（ＨＥＭ法）、溶融凝固法、キロポーラス法、マイクロ引き下げ法、ＥＦＧ法などの様々な結晶成長法に適用可能である。
【００２２】
まず、上記高周波発生装置の特性について説明する。図２に、周波数を変えた時の整流器ユニット１０３の電圧と、ＳｉＣによる電界効果トランジスタで構成されたインバータ１０７における電流との関係を示す。また、図３に、周波数を変えた時の整流器ユニット１０３の電圧と、ＳｉＣによる電界効果トランジスタで構成されたインバータ１０７を４つ用いた場合の送電流との関係を示す。図２，図３より、１つのインバータ１０７における傾向と、４つのインバータ１０７を総合した場合の傾向とが、一致していることが分かる。このことから、単純にトランジスタで構成されたインバータ１０７を増やしてインバータユニット１０２を構成することで、容易に発振部１０１の出力を上げることが可能であることが分かる。
【００２３】
次に、実際に結晶を作製した結果について示す。結晶の作製に用いた結晶作製装置について、図４を用いて説明する。この結晶作製装置は、発振部１０１、インバータユニット１０２、整流器ユニット１０３，周波数シンセサイザー１１２，信号生成部１１３を備える。これらは、前述した高周波発生装置（加熱・溶融装置）であり、発振部１０１は、４つの高周波変圧器１０４、高周波コンデンサバンク１０５、誘導コイル１０６を備える。また、インバータユニット１０２は、図示していないが、トランジスタから構成された４つのインバータを備える。また、整流器ユニット１０３は、４つの整流器（不図示）を備える。
【００２４】
また、この結晶作製装置は、周波数シンセサイザー１１２などを制御するコンピュータ１２１，コンピュータ１２１に制御されるサイリスタレギュレータ１２２，変圧器１２３を備える。また、この結晶作製装置は，水冷バスケット（コールド容器）１２４，重量センサ１２５，駆動モータ１２６，電圧計１２７，制御器１２８を備える。水冷バスケット１２４には、不溶融原料層１３１、溶融体１３２が収容され、溶融体１３２より結晶１３３が引き上げられる。
【００２５】
結晶１３３は、制御器１２８に制御される駆動モータ１２６により引き上げ方向を中心軸として回転させながら引き上げられる。また、引き上げられている結晶１３３は、重量センサ１２５により重量が検出されている。重量センサ１２５による検出値は、電圧計１２７で計測され、コンピュータ１２１に入力される。
【００２６】
次に、実施の形態における加熱・溶融装置を用いた引き上げ法により、実際に作製した結晶について、説明する。実験では、まず、図５の写真に示すように、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12（ＹＡＧ）の単結晶が作製できた。また、図６の写真に示すように、Ｃｅ：Ｇｄ3（Ｇａ，Ａｌ）5Ｏ12（ＧＡＧＧ）の単結晶が作製できた。また、図７の写真に示すように、サファイアの単結晶が作製できた。また、図８の写真に示すように、Ｌａ3Ｇａ5.5Ｔａ0.5Ｏ14（ＬＴＧ）の単結晶が作製できた。また、図９の写真に示すように、ＬａＦ3の単結晶が作製できた。
【００２７】
以上に説明したように、本発明によれば、酸化物、ハロゲン化物、硫化物をはじめとする様々な誘電体の結晶作製が、高価な貴金属坩堝を用いずに実施可能となり、製造コストを抑えて実施できるようになる。本発明により、バルク単結晶の価格競争力が大幅に向上することが期待される。
【００２８】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、４つの電界効果トランジスタで構成されたインバータを４つ用いた場合を例に説明したが、これに限るものではなく、より多くの（またはより少ない）変圧器、インバータ、整流器の組を用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２９】
１０１…発振部、１０２…インバータユニット、１０３…整流器ユニット、１０４…高周波変圧器、１０５…高周波コンデンサバンク、１０６…誘導コイル、１０７…インバータ、１０８…整流器、１１１…電源、１１２…周波数シンセサイザー、１１３…信号生成部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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