(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料棒から単結晶を育成する単結晶育成装置において、
レーザ電源を有し、前記レーザ電源が供給した電力に基づいて、単一の半導体レーザ光を出射する半導体レーザ装置と、
前記単一の半導体レーザ光をＭ本に分割するレーザ光分割装置と、
前記Ｍ本の半導体レーザ光を原料棒に向けて照射するレーザ照射ヘッドと、
Ｍ個の入射口とＭ個の出射口を有し、前記Ｍ個の入射口には、前記レーザ光分割装置から前記Ｍ本の半導体レーザ光が入射し、前記Ｍ本の半導体レーザ光を前記レーザ照射ヘッドに前記Ｍ個の出射口から出射するＭ本の光ファイバと
を備え、
前記レーザ光分割装置は、
前記半導体レーザ装置からの前記半導体レーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
前記半導体レーザ光をＭ本の半導体レーザ光に分割する複数の分割ミラーと、
前記Ｍ本の半導体レーザ光のレーザ光強度を等しくする複数の減衰ミラーと、
前記Ｍ本の半導体レーザ光を前記Ｍ本の光ファイバに集光する集光レンズと
を有し、
前記半導体レーザ装置は、Ｎ個の半導体レーザ素子を有し、
前記Ｎ個の半導体レーザ素子はそれぞれ、第１方向に幅Ｗ１を有し、且つ、前記第１方向にピッチ間隔Ｐ１で列状に配列したＬ個の発光点を含む半導体チップを有し、
前記Ｎ個の半導体レーザ素子は、前記第１方向に垂直な第２方向にずれて配置し、
前記Ｎ個の半導体レーザ素子は、前記第１方向にずらした階段状に配置し、
前記Ｎ個の半導体レーザ素子が出射するそれぞれの前記半導体レーザ光を予め定められた方向に反射させる反射ミラーを有し、
前記Ｎは、
｛（Ｎ−１）×Ｐｃ＋Ｈ１｝×θｖ≦λｃ×θｆ
を満たし、
Ｐｃは、前記Ｎ個の半導体レーザ素子の前記第２方向のピッチ間隔を示し、
Ｈ１は、前記発光点の前記第２方向の高さを示し、
θｖは、前記半導体レーザ光の前記第２方向の拡がり角を示し、
λｃは、前記光ファイバのコア径を示し、
θｆは、前記光ファイバの拡がり角を示す
単結晶育成装置。
【請求項２】
原料棒から単結晶を育成する単結晶育成装置において、
レーザ電源を有し、前記レーザ電源が供給した電力に基づいて、単一の半導体レーザ光を出射する半導体レーザ装置と、
前記単一の半導体レーザ光をＭ本に分割するレーザ光分割装置と、
前記Ｍ本の半導体レーザ光を原料棒に向けて照射するレーザ照射ヘッドと、
Ｍ個の入射口とＭ個の出射口を有し、前記Ｍ個の入射口には、前記レーザ光分割装置から前記Ｍ本の半導体レーザ光が入射し、前記Ｍ本の半導体レーザ光を前記レーザ照射ヘッドに前記Ｍ個の出射口から出射するＭ本の光ファイバと
を備え、
前記レーザ光分割装置は、
前記半導体レーザ装置からの前記半導体レーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
前記半導体レーザ光をＭ本の半導体レーザ光に分割する複数の分割ミラーと、
前記Ｍ本の半導体レーザ光のレーザ光強度を等しくする複数の減衰ミラーと、
前記Ｍ本の半導体レーザ光を前記Ｍ本の光ファイバに集光する集光レンズと
を有し、
前記半導体レーザ装置は、Ｎ個の半導体レーザ素子を有し、
前記Ｎ個の半導体レーザ素子はそれぞれ、第１方向に幅Ｗ１を有し、且つ、前記第１方向にピッチ間隔Ｐ１で列状に配列したＬ個の発光点を含む半導体チップを有し、
前記Ｎ個の半導体レーザ素子は、前記第１方向に垂直な第２方向にずれて配置し、
前記Ｎ個の半導体レーザ素子は、前記第１方向にずらした階段状に配置し、
前記Ｎ個の半導体レーザ素子が出射するそれぞれの前記半導体レーザ光を予め定められた方向に反射させる反射ミラーを有し、
前記Ｌは、
｛（Ｌ−１）×Ｐ１＋Ｗ１｝×θｌ≦Ｍ×λｃ×θｆ
を満たし、
θｌは、前記発光点の前記第１方向の拡がり角を示す
単結晶育成装置。
【請求項３】
前記コリメータレンズは、
前記半導体レーザ光を、前記第１方向から見て、前記第２方向に垂直な光に変換するシリンドリカルレンズと、
前記半導体レーザ光を、前記第２方向から見て、前記第１方向に垂直な光に変換するレンズアレイと
を有する
請求項１又は２に記載の単結晶育成装置。
【請求項４】
前記複数の分割ミラーは、
前記Ｍ本の半導体レーザ光のそれぞれにおいて、前記発光点から前記集光レンズまでの光路長が一定な距離になるように配置する
請求項１から３のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
【請求項５】
原料棒から単結晶を育成する単結晶育成装置において、
レーザ電源を有し、前記レーザ電源が供給した電力に基づいて、単一の半導体レーザ光を出射する半導体レーザ装置と、
前記単一の半導体レーザ光をＭ本に分割するレーザ光分割装置と、
前記Ｍ本の半導体レーザ光を原料棒に向けて照射するレーザ照射ヘッドと、
Ｍ個の入射口とＭ個の出射口を有し、前記Ｍ個の入射口には、前記レーザ光分割装置から前記Ｍ本の半導体レーザ光が入射し、前記Ｍ本の半導体レーザ光を前記レーザ照射ヘッドに前記Ｍ個の出射口から出射するＭ本の光ファイバと
を備え、
前記レーザ光分割装置は、
前記半導体レーザ装置からの前記半導体レーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
前記半導体レーザ光をＭ本の半導体レーザ光に分割する複数の分割ミラーと、
前記Ｍ本の半導体レーザ光のレーザ光強度を等しくする複数の減衰ミラーと、
前記Ｍ本の半導体レーザ光を前記Ｍ本の光ファイバに集光する集光レンズと
を有し、
前記半導体レーザ装置は、Ｎ個の半導体レーザ素子を有し、
前記Ｎ個の半導体レーザ素子はそれぞれ、第１方向に幅Ｗ１を有し、且つ、前記第１方向にピッチ間隔Ｐ１で列状に配列したＬ個の発光点を含む半導体チップを有し、
前記Ｎ個の半導体レーザ素子は、前記第１方向に垂直な第２方向にずれて配置し、
前記複数の分割ミラーは、
前記複数の分割ミラーにおける第一方向のそれぞれの間隔をＤとすると、
Ｄ＝ｎ×｛（Ｌ−１）×Ｐ１＋Ｗ１｝／Ｍ
を満たし、
ｎは整数である
単結晶育成装置。
【請求項６】
前記複数の分割ミラーは、
前記半導体レーザ装置の出射する前記半導体レーザ光を、前記第１方向においてＭ本の半導体レーザ光に分割し、
前記第１方向において、中心に位置する前記半導体レーザ光よりも、前記第１方向の正側に位置する前記半導体レーザ光を反射する前記複数の分割ミラーは、前記半導体レーザ光の進行方向に対して略４５度、前記第１方向の負側に傾いた垂直軸を有するミラー反射面を有し、
前記第１方向において、中心に位置する前記半導体レーザ光よりも、前記第１方向の負側に位置する前記半導体レーザ光を反射する前記複数の分割ミラーは、前記半導体レーザ光の進行方向に対して略４５度、前記第１方向の正側に傾いた垂直軸を有するミラー反射面を有する
請求項１から５のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
【請求項７】
前記複数の分割ミラーは、
前記半導体レーザ光の進行方向に対して略４５度、前記第１方向の正側又は負側に傾いた垂直軸を有するミラー反射面を有し、
前記半導体レーザ装置の出射する前記半導体レーザ光を、前記第１方向の正側又は負側方向に出射するＭ本の半導体レーザ光に分割する
請求項１から６のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
【請求項８】
前記複数の分割ミラーは、前記半導体レーザ光の進行方向に対する前記垂直軸の角度を変更することなく移動するアクチュエータを有する
請求項６又は７に記載の単結晶育成装置。
【請求項９】
前記複数の分割ミラーは、斜辺の長さがＴである三角柱形状を有し、前記三角柱形状の斜面にミラー反射面を有する
請求項１から５のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
【請求項１０】
原料棒から単結晶を育成する単結晶育成装置において、
レーザ電源を有し、前記レーザ電源が供給した電力に基づいて、単一の半導体レーザ光を出射する半導体レーザ装置と、
前記単一の半導体レーザ光をＭ本に分割するレーザ光分割装置と、
前記Ｍ本の半導体レーザ光を原料棒に向けて照射するレーザ照射ヘッドと、
Ｍ個の入射口とＭ個の出射口を有し、前記Ｍ個の入射口には、前記レーザ光分割装置から前記Ｍ本の半導体レーザ光が入射し、前記Ｍ本の半導体レーザ光を前記レーザ照射ヘッドに前記Ｍ個の出射口から出射するＭ本の光ファイバと
を備え、
前記レーザ光分割装置は、
前記半導体レーザ装置からの前記半導体レーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
前記半導体レーザ光をＭ本の半導体レーザ光に分割する複数の分割ミラーと、
前記Ｍ本の半導体レーザ光のレーザ光強度を等しくする複数の減衰ミラーと、
前記Ｍ本の半導体レーザ光を前記Ｍ本の光ファイバに集光する集光レンズと
を有し、
前記複数の分割ミラーは、斜辺の長さがＴである三角柱形状を有し、前記三角柱形状の斜面にミラー反射面を有し、
前記斜辺の長さＴは、
Ｔ＝｛（Ｌ−１）×Ｐ１＋Ｗ１｝×√２／Ｍ
を満たす
単結晶育成装置。
【請求項１１】
前記複数の減衰ミラーは、前記複数の分割ミラーと前記集光レンズとの間に位置し、
前記複数の分割ミラーからの前記半導体レーザ光の少なくとも一部を反射する
請求項１から１０のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
【請求項１２】
前記複数の減衰ミラーは、前記複数の分割ミラーからの前記半導体レーザ光の進行方向に対して、略４５度傾いた垂直軸を有するミラー反射面を備える
請求項１１に記載の単結晶育成装置。
【請求項１３】
前記複数の減衰ミラーは、前記半導体レーザ光の進行方向に対する前記垂直軸の角度を変更することなく移動するアクチュエータを有する
請求項１２に記載の単結晶育成装置。
【請求項１４】
前記集光レンズは、前記Ｍ本の半導体レーザ光をそれぞれＭ本の光ファイバに集光する球面レンズと複数のシリンドリカルレンズを一体的に形成したレンズアレイを有する
請求項１に記載の単結晶育成装置。
【請求項１５】
前記レーザ照射ヘッドは、
入射した前記半導体レーザ光の進行方向を、略垂直に曲げる折り返しミラーを有する
請求項１から１４のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
【請求項１６】
前記Ｍ本の半導体レーザ光を前記原料棒に向けて照射するＭ個のレーザ照射ヘッドと、
前記Ｍ本の半導体レーザ光の少なくとも一部を吸収するＭ個のダンパと、
前記Ｍ個のレーザ照射ヘッドよりも上方に位置し、前記Ｍ個のレーザ照射ヘッド及び前記Ｍ個のダンパを固定する天井部と
をさらに備える請求項１から１５のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
【請求項１７】
前記半導体レーザ装置及び前記レーザ光分割装置をそれぞれ１台ずつ備える
請求項１から１５のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光分割装置を有する単結晶育成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加熱レーザ光による浮遊溶融帯方式の単結晶製造装置では、周囲から複数の加熱レーザ光で原料棒を直接照射し加熱する方式が知られている（例えば、特許文献１）。
［先行技術文献］
［非特許文献］
［非特許文献１］  Ｍ．Ｍａｔｓｕｄａ，  ｅｔ  ａｌ．，"Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ａｎｄ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ  ｉｎ  ｍｕｌｔｉｆｅｒｒｏｉｃ  ＢｉＦｅＯ３"  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．，米国，Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０１２年８月８日，Ｖｏｌ．１０９，０６７２０５．
［特許文献］
［特許文献１］  特開２０１１−１４４０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図２６は、従来の単結晶育成装置５００の構成の一例を示す。単結晶育成装置５００は、原料棒５０１を加熱するために、複数台のレーザ電源５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃ，５１０ｄ，５１０ｅ、複数台の半導体レーザ５２０ａ，５２０ｂ，５２０ｃ，５２０ｄ，５２０ｅ、複数台の光ファイバ５４０ａ，５４０ｂ，５４０ｃ，５４０ｄ，５４０ｅ及び複数台のレーザ照射ヘッド５５０ａ，５５０ｂ，５５０ｃ，５５０ｄ，５５０ｅを備える。図２６には半導体レーザ源を５台、半導体レーザ光源への定電流源を５台の場合を図示した。浮遊溶融帯方式に用いる半導体レーザ５２０は、１台のコストが数百万円の高価な装置である。レーザ電源も数十万円の価格帯であり、５台となると数百万円と高額となる。５台の半導体レーザ５２０ａ，５２０ｂ，５２０ｃ，５２０ｄ，５２０ｅに５台のレーザ電源５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃ，５１０ｄ，５１０ｅをそれぞれ接続し、５台のレーザ電源５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃ，５１０ｄ，５１０ｅを同時に制御するコンピュータ制御系が必須となる。その制御ソフトの開発には高額の費用が発生する。また、半導体レーザ５２０は±０．５℃内の温度制御精度が必要で、１台の冷却装置からこのような温度精度の高い冷却水を分岐する場合は分岐水量の微妙な調整が必要である。半導体レーザ５２０に用いる環境ガスは湿度が低い乾燥空気が必要である。半導体レーザ装置は冷却水により冷却されている。その為に半導体レーザ５２０周辺部に結露しやすく、乾燥ガスをそれぞれの半導体レーザ５２０に導入する必要がある。このように複数の半導体レーザ５２０及びレーザ電源５１０は単結晶育成装置５００の費用を大幅に引き上げるばかりでなく、付帯設備の負荷を大きくする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、原料棒から単結晶を育成する単結晶育成装置において、レーザ電源を有し、レーザ電源が供給した電力に基づいて、半導体レーザ光を出射する半導体レーザ装置と、半導体レーザ光をＭ本の加熱レーザ光に分割するレーザ光分割装置と、Ｍ本の加熱レーザ光を原料棒に向けて照射するレーザ照射ヘッドとを備える単結晶育成装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】単結晶育成装置１００の斜視図の一例を示す。
【図２】原料棒１の近傍の上面図の一例を示す。
【図３】半導体レーザ装置２０の構成の一例を示す。
【図４】光ファイバ４０の模式図を示す。
【図５】半導体レーザ装置２０の構成の一例を示す。
【図６Ａ】半導体レーザ装置２０の上面図の一例を示す。
【図６Ｂ】半導体レーザ装置２０の正面図の一例を示す。
【図７Ａ】半導体レーザ素子２０１とコリメータレンズの側面図の一例を示す。
【図７Ｂ】半導体レーザ素子２０１とコリメータレンズの上面図の一例を示す。
【図８】半導体レーザ光５の分割方法の一例を示す。
【図９】半導体レーザ光５の減衰方法とファイバ集光レンズの一例を示す。
【図１０】Ｍ本に分割した半導体レーザ光５のシミュレーション実験結果を示す。
【図１１】実施例２に係る半導体レーザ光５の分割方法を示す。
【図１２】第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７の構成の一例を示す。
【図１３】実施例３に係るレーザ光分割装置３０の構成の一例を示す。
【図１４】実施例４に係るレーザ光分割装置３０の構成の一例を示す。
【図１５】実施例５に係るレーザ光分割装置３０の構成の一例を示す。
【図１６】実施例６に係るレーザ光分割装置３０の構成の一例を示す。
【図１７】第１分割方式に係るレーザ光分割装置３０への入射方法の一例を示す。
【図１８】第２分割方式に係るレーザ光分割装置３０の構成の一例を示す。
【図１９】第２分割方式に係るレーザ光分割装置３０への入射方法の一例を示す。
【図２０】第３分割方式に係る分割ファイバ８０の一例を示す。
【図２１】第３分割方式に係る分割ファイバ８０の一例を示す。
【図２２】レーザ照射ヘッド５０の構成の一例を示す。
【図２３】比較例１に係る単結晶育成装置５００の上面図を示す。
【図２４】単結晶育成装置１００の上面図の一例を示す。
【図２５】レーザヘッド部が装置上部に固定された単結晶育成装置５００の構成を示す。
【図２６】従来の単結晶育成装置５００の構成の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００７】
［実施例１］
図１は、単結晶育成装置１００の斜視図の一例を示す。図２は、原料棒１の近傍の上面図の一例を示す。単結晶育成装置１００は、レーザ電源１０、半導体レーザ装置２０、レーザ光分割装置３０、Ｍ本の光ファイバ、Ｍ個のレーザ照射ヘッド及びＭ個のダンパを備える。本例では、分割本数Ｍ＝５の場合を示す。
【０００８】
単結晶育成装置１００は、浮遊溶融帯方式で種結晶棒２上に単結晶を育成する。浮遊溶融帯方式では、原料棒１及び種結晶棒２を高温に加熱する加熱源が必要である。本例の単結晶育成装置１００は、柱状形状の原料棒１及び種結晶棒２の加熱源として加熱レーザ光３を用いる。加熱レーザ光３は、原料棒１及び種結晶棒２の中心軸を中心として、放射状に原料棒１及び種結晶棒２に入射する。加熱レーザ光３は、略四角形の照射形状を有し、且つ、略四角形照射形状の二次元面強度が均一なレーザ光である。
【０００９】
半導体レーザ装置２０は、レーザ電源１０からの電源電力により駆動し、半導体レーザ光５を生成する。半導体レーザ装置２０は、生成した半導体レーザ光５をレーザ光分割装置３０に出射する。本例の単結晶育成装置１００は、レーザ電源１０及び半導体レーザ装置２０をそれぞれ１台ずつ有する。なお、半導体レーザ装置２０が出射する半導体レーザ光５の本数は１本に限られず、複数の半導体レーザ光５をＭ本に分割するとしてもよい。
【００１０】
レーザ光分割装置３０は、半導体レーザ光５をＭ本に分割する。レーザ光分割装置３０は、分割した半導体レーザ光５を光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５に入射する。本例のレーザ光分割装置３０は、半導体レーザ光５をＭ本に分割する。レーザ光分割装置３０は、半導体レーザ光５をＭ本に分割するために、第１から第３の３つの分割方式を有する。
【００１１】
光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５は、Ｍ本の半導体レーザ光５をＭ本の加熱レーザ光３として出射する。光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５の入射口形状は円形である。入射した半導体レーザ光５は、光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５を構成する多数の石英ガラス細管による相互干渉効果により均一となる。一方、光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５の出射口付近では、光ファイバのコア形状を略四角形にする。これにより、光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５から出射する半導体レーザ光５は、略四角形で、且つ、断面のレーザ光強度が完全に均一な加熱レーザ光３となる。
【００１２】
レーザ照射ヘッド５１，５２，５３，５４，５５は、光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５から入射した加熱レーザ光３を原料棒１及び種結晶棒２に集光する。レーザ照確認必要放射状で、且つ、等間隔に複数の加熱レーザ光を照射するように配置する。即ち、レーザ照射ヘッド５１，５２，５３，５４，５５は、原料棒１及び種結晶棒２を中心に略７２度の間隔の角度で５方向から加熱レーザ光３を照射する。分割本数Ｍ＝５の場合、原料棒１及び種結晶棒２の周囲の光照射強度の均一度は９５％以上となる。これは、加熱レーザ光３が略四角形の照射形状を有し、略四角形照射形状の二次元面強度が均一なレーザ光を用いることによる。なお、加熱レーザ光３において二次元面上の光強度が一定な光強度分布をトップフラット形状分布と呼ぶ。このように、レーザ照射ヘッド５１，５２，５３，５４，５５は、加熱レーザ光３を所望の照射形状に整形してもよい。
【００１３】
図２に示したダンパ６１，６２，６３，６４，６５は、水冷機構を有し、加熱レーザ光３の一部を吸収する。ダンパ６１，６２，６３，６４，６５は、原料棒１及び種結晶棒２を挟んで、レーザ照射ヘッド５１，５２，５３，５４，５５とそれぞれ対向して設ける。例えば、ダンパ６１は、レーザ照射ヘッド５１が出射した加熱レーザ光３の内、原料棒１及び種結晶棒２の左右を通過した加熱レーザ光３を吸収する。これにより、レーザ照射ヘッド５１による単結晶育成装置１００の内部の損傷を防止できる。
【００１４】
ここで、原料棒１は、育成する単結晶に応じた材料で形成した柱状形状の棒である。原料棒１及び種結晶棒２は、加熱レーザ光３で加熱することにより種結晶棒２上に溶融帯４を形成する。例えば、原料棒１及び種結晶棒２の溶融温度は、３００℃から２０００℃である。溶融帯４は、原料棒１及び種結晶棒２が加熱レーザ光３により溶融した層であり、冷却することにより原料棒１及び種結晶棒２の材料に応じた単結晶を形成する。原料棒１と種結晶棒２は、石英管６中に設置し、原料棒保持部１１及び単結晶保持部１２にそれぞれ固定する。本例の単結晶育成装置１００は、原料棒１及び種結晶棒２を坩堝に置く必要がないので、坩堝からの不純物汚染がなく極めて高純度の単結晶棒を育成できる。また、原料棒１に微量の元素を添加することも可能となる。
【００１５】
石英管６は、石英により形成した透明な管である。石英管６の中心軸上に原料棒１及び種結晶棒２を配置する。石英管６内には、原料棒１及び種結晶棒２の材料等に応じて好適なガスを充満させる。例えば、石英管６に酸素ガスを供給し、石英管６内を予め定められた圧力に調整する。
【００１６】
原料棒保持部１１は、原料棒１を石英管１０内で保持する。原料棒保持部１１は、平面視で、原料棒１の中心軸に対して反時計周りに原料棒１を回転させる。例えば、原料棒保持部１１は、シャフトを有し、当該シャフトから白金線などの高融点ワイアで原料棒１を吊るす。原料棒１の回転速度は、任意の速度に決定すればよく、一例では１０ｒｐｍから６０ｒｐｍ程度である。
【００１７】
単結晶保持部１２は、種結晶棒２を石英管１０内で保持する。単結晶保持部１２は、平面視で、種結晶棒２の中心軸に対して時計周りに種結晶棒２を回転させる。即ち、原料棒保持部１１及び単結晶保持部１２は、原料棒１の回転方向と種結晶棒２の回転方向が逆向きとなるように回転する。種結晶棒２の回転速度は、任意の速度に決定すればよく、一例では１０ｒｐｍから６０ｒｐｍ程度である。種結晶棒２の回転速度は、原料棒１の回転速度と同じであることが好ましいが、これに限られない。原料棒１及び種結晶棒２を回転することにより、溶融帯４の温度均一性が向上する。また、溶融帯４がシャフト中心軸上になるように回転速度を制御する。
【００１８】
原料棒保持部１１及び単結晶保持部１２は、溶融帯４が予め定められた温度に安定化した状態で、徐々に原料棒１及び種結晶棒２の保持位置を下方に移動させる。これにより、溶融帯４に加熱レーザ光３が照射しなくなった種結晶上部の領域から徐々に種結晶の結晶方位で結晶化する。原料棒保持部１１及び単結晶保持部１２の移動する速度は、単結晶の材料の特性及び加熱レーザ光３の強度等に応じて任意に設定する。
【００１９】
実施例１では、第１分割方式のレーザ光分割装置３０について説明する。第１分割方式では、半導体レーザ装置２０からの半導体レーザ光５をＭ本の半導体レーザ光５に直ちに分割する。第１分割方式の最大のメリットは、光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５に半導体レーザ光５を導入する前に、半導体レーザ装置２０からの半導体レーザ光５をＭ本のレーザ光に分割することにより、光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５からのトップフラット強度分布をもつ略四角形照射形状への影響を最小限にできることにある。トップフラット強度分布や略四角形形状を得ることができるのは、光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５によるからである。第１分割方式では、レーザ光分割装置３０におけるレーザ光強度のロスを小さくするために、第１分割方式を少ない光学系で実現することが好ましい。
【００２０】
図３は、半導体レーザ装置２０の構成の一例を示す。本例の半導体レーザ装置２０は、半導体チップ２１、サブマウント２２及びヒートシンク２３からなる半導体レーザ素子２０１を備える。
【００２１】
半導体チップ２１は、半導体レーザ光５を照射する。半導体チップ２１は、一列に並んだＬ個の発光点２４を有する。半導体チップ２１は、サブマウント２２上に固定する。本例では、Ｌ個の発光点２４の並ぶ方向をＸ軸とし、半導体レーザ光５の照射する方向をＺ軸とし、Ｘ軸及びＺ軸に対して垂直な方向をＹ軸とする。
【００２２】
サブマウント２２は、窒化アルミや銅タングステンあるいは人工ダイヤモンドなどの熱伝導率の高い材料で形成する。サブマウント２２は、ヒートシンク２３上に固定する。
【００２３】
ヒートシンク２３は、半導体チップ２１の駆動時に生じる熱を吸収する。ヒートシンク２３は、Ｃｕなどの熱伝導率の高い金属製ヒートシンクである。
【００２４】
Ｌ個の発光点２４のサイズは、Ｘ軸方向の幅Ｗ１及びＹ軸方向の高さＨ１を有する。Ｌ個の発光点２４は、ピッチＰ１で並ぶ。ピッチＰ１は、ある発光点２４のＸ軸方向負側の端部から隣接する発光点２４のＸ軸方向負側の端部までの距離を指す。即ち、ピッチＰ１につき１個の発光点２４を配置する。
【００２５】
半導体レーザ光５は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に大きな拡がり角度を有する。通常、Ｘ方向は８〜１０度、Ｙ方向は３０〜７０度の拡がり角でレーザ光が発散する。そのために、半導体レーザ光５を光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５に入射するためには、半導体レーザ光５を平行光に変換する必要がある。
【００２６】
図４は、光ファイバ４０の模式図を示す。光ファイバ４０は、光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５の一例である。光ファイバ４０は、光ファイバコア４６及び光ファイバクラッド４７を有する。
【００２７】
光ファイバ４０の構造は、光ファイバコア４６とその周囲を覆う光ファイバクラッド４７との２層構造である。光ファイバコア４６の屈折率は、光ファイバクラッド４７の屈折率よりも高い。これにより、半導体レーザ光５が光ファイバコア４６内を伝搬する。
【００２８】
ここで、半導体レーザ装置２０及びレーザ光分割装置３０の設計する指標としてビームパラメータプロダクト（ＢＰＰ）を用いる。ＢＰＰは、以下の式より求められる。
［数式１］
ＢＰＰ＝λ１×θｆ
ここで、λ１は、光ファイバコア４６の直径を示す。θｆは、光ファイバ４０の拡がり角を示す。即ち、ＢＰＰは、光ファイバコア４６の直径と光ファイバ４０の拡がり角θｆとの積である。ＢＰＰは、レーザ光分割装置３０の半導体チップ２１の積層数や分割ミラーの数、分割ミラー反射面の幅を選択する上の重要な指針を与える。
【００２９】
Ｘ軸方向に並ぶＬ個の発光点２４をＭ本の半導体レーザ光５に分割し、Ｍ本の光ファイバ４０に入射する場合、発光点の個数Ｌは、以下の式を満たす様に選択する。
［数式２］
｛（Ｌ−１）×Ｐ１＋Ｗ１｝×θｌ  ≦Ｍ×ＢＰＰ
【００３０】
（数２）式のＷ１は、半導体レーザ素子の発光点の横の長さである。半導体レーザ素子のピッチ間隔Ｐ１は、半導体レーザ素子の発光点２４と、隣接する半導体レーザ素子の発光点２４との間隔を指す。θ１は、発光点２４から出射する半導体レーザ光５の横方向の拡がり角を示す。半導体レーザ装置２０における発光点の個数Ｌが、（数２）式の範囲であれば高い光エネルギー利用効率で光ファイバ４０の入射口に入射する。ＢＰＰを超えると、半導体レーザ光５が光ファイバ４０に損傷を与える。
【００３１】
図５は、半導体レーザ装置２０の構成の一例を示す。半導体レーザ装置２０は、Ｙ軸方向に積層した半導体レーザ素子２０１，２０２，２０３，２０４，２０５を備える。
【００３２】
半導体レーザ装置２０は、半導体レーザ素子２０１，２０２，２０３，２０４，２０５を積層することにより、原料棒１及び種結晶棒２を加熱するのに十分なレーザ光強度を得ることができる。半導体レーザ装置２０のレーザ光強度は、原料棒１及び種結晶棒２を１０００℃〜２０００℃程度に加熱する程度に大きくなければならない。しかし、１つの半導体レーザ素子２０１のレーザ光強度では、原料棒１及び種結晶棒２を１０００℃〜２０００℃程度に加熱できない。原料棒１及び種結晶棒２を１０００℃〜２０００℃程度に加熱するには、１Ｋワットクラスの半導体レーザ装置２０が必要である。１Ｋワットクラスの半導体レーザ装置２０では、Ｍ本にレーザ光を分割しても原料棒１及び種結晶棒２を所望の温度に加熱できる。
【００３３】
本例の半導体レーザ装置２０は、以下の式を満たす様にＮ個の半導体レーザ素子を積層する。
［数式３］
｛（Ｎ−１）×Ｐｃ＋Ｈ１｝×θｖ≦ＢＰＰ
Ｐｃは、半導体レーザ素子の積層間隔を示す。半導体レーザ素子の積層間隔Ｐｃは、ある半導体レーザ素子の発光点２４と、積層する半導体レーザ素子の発光点２４との間隔を指す。θｖは、発光点２４から出射する半導体レーザ光５の縦方向の拡がり角を示す。半導体レーザ装置２０における半導体レーザ素子の積層個数Ｎが、（数３）式の範囲であれば高い光エネルギー利用効率で光ファイバ４０の入射口に導く。ＢＰＰを超えると、半導体レーザ光５が光ファイバ４０に損傷を与える。
【００３４】
図６Ａは、半導体レーザ装置２０の上面図の一例を示す。図６Ｂは、半導体レーザ装置２０の正面図の一例を示す。半導体レーザ装置２０は、階段状に積層した半導体レーザ素子２０１，２０２，２０３，２０４，２０５を備える。また、本例の半導体レーザ装置２０は、反射ミラー２５，２６，２７，２８を有する。
【００３５】
半導体レーザ素子２０１，２０２，２０３，２０４，２０５は、階段状に積層する。階段状に積層するとは、Ｘ軸方向及び／又はＺ軸方向にずれて、且つ、Ｙ軸方向にずれて配置することを指す。例えば、半導体レーザ素子２０１，２０２，２０３，２０４，２０５は、Ｙ軸方向の正側から半導体レーザ素子２０１，２０２，２０３，２０４，２０５の順に同ピッチで積層する。また、半導体レーザ素子２０１，２０２，２０３，２０４，２０５は、ＸＺ平面において完全にずれて配置してもよいし、一部を重ねて配置してもよい。
【００３６】
より具体的には、半導体レーザ素子２０１は、反射ミラー２５，２６，２７，２８に向けて、半導体レーザ光５を照射する。半導体レーザ素子２０２は、反射ミラー２５及び反射ミラー２６を挟み、半導体レーザ素子２０３と対向する。また、半導体レーザ素子２０４は、反射ミラー２７及び反射ミラー２８を挟み、半導体レーザ素子２０５と対向する。
【００３７】
反射ミラー２５，２６，２７，２８は、半導体レーザ素子２０２，２０３，２０４，２０５が出射した半導体レーザ光５の光路を変換する。本例では、反射ミラー２５，２６，２７，２８は、半導体レーザ素子２０１から出射した半導体レーザ光５の光路を変えずに、直進させる。また、反射ミラー２５及び反射ミラー２６は、半導体レーザ素子２０２及び半導体レーザ素子２０３の出射した半導体レーザ光５を半導体レーザ素子２０１の半導体レーザ光５と同一の方向にそれぞれ変換する。さらに、反射ミラー２７及び反射ミラー２８は、半導体レーザ素子２０４及び半導体レーザ素子２０５の出射した半導体レーザ光５を、半導体レーザ素子２０１の出射した半導体レーザ光５と同一の方向にそれぞれ変換する。なお、本例では、半導体レーザ光５が変換された方向をＺ軸方向として便宜上規定している。しかし、Ｌ個の発光点２４の並ぶ方向は、半導体レーザ素子２０１，２０２，２０３，２０４，２０５の向く方向によって、適宜変更されてよい。即ち、半導体レーザ素子２０１の発光点２４はＸ軸方向に並び、半導体レーザ素子２０２，２０３，２０４，２０５の発光点２４はＺ軸方向に並ぶ。
【００３８】
図７Ａは、半導体レーザ素子２０１の側面図の一例を示す。図７Ｂは、半導体レーザ素子２０１の上面図の一例を示す。半導体レーザ素子２０１の出射した半導体レーザ光５を、Ｙ方向コリメータ３１及びＸ方向コリメータ３２により平行光に変換する。Ｙ方向コリメータ３１及びＸ方向コリメータ３２は、レーザ光分割装置３０の構成の一例である。
【００３９】
Ｙ方向コリメータ３１は、Ｘ軸方向から見てＺ軸に対して平行な光となるように、半導体レーザ光５を変換する。即ち、Ｙ軸方向に広がる半導体レーザ光５が、Ｘ軸方向から見てＺ軸に対して平行な光となる。Ｙ方向コリメータ３１は、シリンドリカル（円柱）形状のレンズ有する。
【００４０】
Ｘ方向コリメータ３２は、Ｙ軸方向から見てＺ軸に対して平行な光となるように、半導体レーザ光５を変換する。即ち、Ｘ軸方向に広がる半導体レーザ光５が、Ｙ軸方向から見てＺ軸に対して平行な光となる。Ｘ方向コリメータ３２は、Ｘ軸方向に並んだ多数の凸レンズアレイを有する。
【００４１】
本例の半導体レーザ光５は、Ｙ方向コリメータ３１に入射した後に、Ｘ方向コリメータ３２に入射した。しかし、半導体レーザ光５は、Ｘ方向コリメータ３２に入射した後に、Ｙ方向コリメータ３１に入射してよい。半導体レーザ光５は、Ｙ方向コリメータ３１及びＸ方向コリメータ３２を通過することにより、Ｚ軸方向に平行なレーザ光となる。
【００４２】
図８は、半導体レーザ光５の分割方法の一例を示す。本例のレーザ光分割装置３０は、分割ミラー３３をさらに有する。分割ミラー３３は、Ｘ方向コリメータ３２から出射した半導体レーザ光５の平行光をＭ本の半導体レーザ光５に分割する。
【００４３】
分割ミラー３３は、平面基板３３１に形成したミラー反射面３３２を有する。分割ミラー３３は、分割本数Ｍに応じた個数を設けることにより、半導体レーザ光５をＭ本の半導体レーザ光５に分割する。例えば、中心に位置する半導体レーザ光５よりも、Ｘ軸方向の正側に位置する半導体レーザ光５を反射する分割ミラー３３は、半導体レーザ光５の進行方向に対して４５度、Ｘ軸方向の負側に傾いた垂直軸を有する。また、中心に位置する半導体レーザ光５よりも、Ｘ軸方向の負側に位置する半導体レーザ光５を反射する分割ミラー３３は、半導体レーザ光５の進行方向に対して４５度、Ｘ軸方向の正側に傾いた垂直軸を有する。本例の分割ミラー３３は、分割ミラー３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅの５台の分割ミラーで、半導体レーザ光５を５方向に分割する。なお、本明細書において、４５度などの角度を示す場合は、必ずしも正確に４５度である必要はなく、実質的に４５度であればよい。
【００４４】
ミラー反射面３３２は、ミラー反射面３３２の表面に対して４５度の角度で半導体レーザ光５が入射するように傾ける。即ち、ミラー反射面３３２は、半導体レーザ光５の進行方向に対して４５度、Ｘ軸方向の正側又は負側に垂直軸を傾ける。これにより、ミラー反射面３３２に入射した半導体レーザ光５は、進行方向に対して直角に曲がる。
【００４５】
より具体的には、分割ミラー３３は、Ｘ軸の正側方向から分割ミラー３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅの順に配置する。また、分割ミラー３３は、Ｚ軸の正側方向から分割ミラー３３ｃ、３３ｂ、３３ｄ、３３ａ、３３ｅの順に配置する。本例の分割ミラー３３ａ、３３ｂ、３３ｃは、半導体レーザ光５を進行方向に対して右側に９０度曲げる。一方、分割ミラー３３ｄ、３３ｅは、半導体レーザ光５を進行方向に対して左側に９０度曲げる。この場合、半導体レーザ光５は、２方向に進むことになる。このように、分割ミラー３３が左右に振り分けて半導体レーザ光５を分割することにより、分割した半導体レーザ光５ごとに半導体レーザ光５を制御する光学システム用の設置スペースを得ることができる。
【００４６】
なお、分割ミラー３３ｃは、Ｘ軸において中心に位置するので、半導体レーザ光５を進行方向に対して左側に９０度曲げてもよい。また、分割ミラー３３ｃを設置せずに、半導体レーザ光５を直進させてもよい。この場合、半導体レーザ光５は、３方向に進むことになる。
【００４７】
ここで、１台の半導体レーザ装置２０のＬ個の発光点２４から照射する複数の半導体レーザ光５をＭ本に分割するレーザ光分割装置３０は、下記の式を満たすように分割ミラー３３を配置する。Ｄは、Ｘ軸方向において分割ミラー３３の互いの間隔を示す。
［数式４］
Ｄ＝ｎ×ｄ１
ここで、ｎは任意の整数である。また、ｄ１は、Ｍ本に分割する半導体レーザ光５のＸ軸方向におけるそれぞれの幅を示す。図８に記載のＤは、分割ミラー３３ａと分割ミラー３３ｃとの中心線間の距離を示す。ｄ１は、以下の式を満たす。
［数式５］
ｄ１＝｛（Ｌ−１）×Ｐ１＋Ｗ１｝／Ｍ
【００４８】
なお、分割ミラー３３は、入射した半導体レーザ光５に対する角度を変更することなく移動するために、アクチュエータ等の機構を備えてよい。分割ミラー３３がアクチュエータを備える場合、Ｍ本に分割された半導体レーザ光５のそれぞれの光路長を自由に調整できる。半導体レーザ光５の光路長が長い程、半導体レーザ光５の損失が大きくなるので、半導体レーザ光５の光路長は、分割したＭ本の半導体レーザ光５の間で等しいことが好ましい。
【００４９】
図９は、半導体レーザ光５の減衰方法の一例を示す。本例では、レーザ光分割装置３０の構成として、減衰ミラー３４、ダンパ部３５、第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７をさらに備える。
【００５０】
減衰ミラー３４は、入射した半導体レーザ光５を減衰させることにより、Ｍ本の半導体レーザ光５のレーザ光強度を等しくする。例えば、減衰ミラー３４は、分割ミラー３３が分割したＭ本の半導体レーザ光５の少なくとも一部を反射し、それ以外を通過させる。これにより、減衰ミラー３４は、半導体レーザ光５のレーザ光強度を自在に調整する。減衰ミラー３４は、分割ミラー３３の個数に応じて複数個設けてもよい。
【００５１】
ダンパ部３５は、水冷機構を有し、減衰ミラー３４からの反射光が入射する位置に設置する。これにより、ダンパ部３５は、減衰ミラー３４からの反射光を吸収する。また、ダンパ部３５は、減衰ミラー３４を複数設ける場合、複数の減衰ミラー３４に対して共通に設けてもよい。
【００５２】
第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７は、減衰ミラー３４により減衰した半導体レーザ光５を、集光して光ファイバ４０に入射する。第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７は、光ファイバ４０のＢＰＰの条件を満たして配置する。なお、半導体レーザ光５を光ファイバ４０に集光するレンズは、最小数の２枚の集光レンズである第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７で構成したが、それ以上の集光レンズの組み合わせであってもよい。
【００５３】
なお、減衰ミラー３４は、入射するＭ本の半導体レーザ光５と、減衰ミラー３４の垂直軸との角度を変更することなく移動するために、アクチュエータ等の機構を備えてよい。減衰ミラー３４がアクチュエータを備える場合、Ｍ本に分割された半導体レーザ光５のそれぞれの減衰率を自由に調整できる。そのため、Ｍ本に分割された半導体レーザ光５のレーザ光強度を均一となるように制御できる。
【００５４】
図１０は、Ｍ本に分割した半導体レーザ光５の実施例１におけるシミュレーション実験結果を示す。本例のレーザ分割数Ｍは５である。
【００５５】
本例の実験結果は、実施例１に係るレーザ光分割装置３０が光ファイバ４０に入射する半導体レーザ光５を示す。実施例１に係るレーザ光分割装置３０とは、レーザ光分割装置３０がＹ方向コリメータ３１、Ｘ方向コリメータ３２、分割ミラー３３、減衰ミラー３４、ダンパ部３５、第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７を有する場合である。本例の光ファイバコア４６の直径λ１は、０．８ｍｍφである。シミュレーション実験結果より、いずれの光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５においても、分割した半導体レーザ光５を光ファイバコア４０内に収めることを実証できた。
【００５６】
以上の通り、実施例１に係る単結晶育成装置１００は、Ｍ本に分割した半導体レーザ光５を、Ｍ本の光ファイバ４０の入射口に均一な強度で照射できる。単結晶育成装置１００は、半導体レーザ光５を光ファイバ４０のＢＰＰ以内に制御した光学系を有するので、半導体レーザ光５の損失が少なく、均一なレーザ光強度を達成できる。
【００５７】
［実施例２］
図１１は、実施例２に係る半導体レーザ光５の分割方法を示す。本例のレーザ光分割装置３０は、半導体レーザ光５を一方向に分割して取り出す。なお、後段の減衰ミラー３４、ダンパ部３５、第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７は、実施例１と同一の構成でよい。
【００５８】
分割ミラー３３は、平面基板３３１に形成したミラー反射面３３２を有する。分割ミラー３３は、分割本数Ｍに応じた個数を設けることにより、半導体レーザ光５をＭ本の半導体レーザ光５に分割する。例えば、Ｘ軸方向において、Ｍ本の半導体レーザ光５に分割する場合、全ての分割ミラー３３が、半導体レーザ光５の進行方向に対して４５度、Ｘ軸方向の正側又は負側に傾いた垂直軸を有する。本例の分割ミラー３３は、分割ミラー３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅの５台の分割ミラーが、半導体レーザ光５の進行方向に対して４５度、Ｘ軸方向の正側に傾いた垂直軸を有する。
【００５９】
より具体的には、分割ミラー３３は、Ｘ軸の正側方向から分割ミラー３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅの順に配置する。また、分割ミラー３３は、Ｚ軸の正側方向から分割ミラー３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅの順に配置する。本例の分割ミラー３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅはいずれも、半導体レーザ光５を進行方向に対して左側に９０度曲げる。また、分割ミラー３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅは、半導体レーザ光５を進行方向に対して右側に９０度曲げてもよい。即ち、Ｍ本の半導体レーザ光５は、一方向に進むことになる。本例の分割ミラー３３の配置により、Ｘ方向コリメータ３２を出射してから減衰ミラー３４に入射するまでのＭ本の半導体レーザ光５におけるそれぞれの光路長を均一に制御しやすくなる。この場合、本例の分割ミラー３３は、（数４）式及び（数５）式を満たすように配置する。
【００６０】
図１２は、第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７の構成の一例を示す。第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７は、一体構造型のレンズアレイをそれぞれ有する。
【００６１】
第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７は、一体構造型のレンズアレイを有するので、レンズアレイを個別に形成するよりも、レンズ同士の間隔を小さくできる。つまり、Ｍ本の半導体レーザ光５同士の間隔が狭くなる場合であっても、光ファイバ４０への集光が容易になる。よって、本例の第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７を用いれば、実施例２の分割ミラー３３のように一方向にＭ本の半導体レーザ光５を出射する場合にも、容易にＭ本の半導体レーザ光５を光ファイバ４１，４２，４３，４４，４５に集光できる。例えば、第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７は、複数の球面レンズと複数のシリンドリカルレンズとを有する。
【００６２】
［実施例３］
図１３は、実施例３に係るレーザ光分割装置３０の構成の一例を示す。本例のレーザ光分割装置３０は、分割ミラー３３の代わりに、三角柱ミラー３８を備える。
【００６３】
三角柱ミラー３８は、半導体レーザ光５をＭ本の半導体レーザ光５に分割する。三角柱ミラー３８は、三角基板３８１及びミラー反射面３８２を備える。
【００６４】
三角基板３８１は、斜辺の長さがＴである三角柱形状を有する。ミラー反射面３８２は、三角基板３８１の長さＴの斜面に形成する。本例のミラー反射面３８２は、半導体レーザ光５の進行方向に対して４５度、Ｘ軸方向の正側又は負側に傾いた垂直軸を有する。ここで、斜辺の長さＴは、以下の式を満たす。
［数式６］
Ｔ＝ｄ１×√２
【００６５】
より具体的には、本例の三角柱ミラー３８は、２つの三角柱ミラー３８ａ、３８ｂで構成する。三角柱ミラー３８は、Ｘ軸の正側方向から三角柱ミラー３８ａ，３８ｂの順に配置する。また、三角柱ミラー３８は、Ｚ軸の正側方向から三角柱ミラー３８ａ，３８ｂの順に配置する。即ち、三角柱ミラー３８ａ及び三角柱ミラー３８ｂは、Ｘ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれに対して、互いにずれて配置する。三角柱ミラー３８ａは、半導体レーザ光５をＸ軸の正側方向及び負側方向に分割する。また、三角柱ミラー３８ｂは、半導体レーザ光５をＸ軸の正側方向及び負側方向に分割する。これにより、三角柱ミラー３８は、半導体レーザ光５から５個の内４個の半導体レーザ光５を取り出す。残り１個の半導体レーザ光５は、三角柱ミラー３８を介さないで通過する。また、残り１個の半導体レーザ光５は、分割ミラー３３によりＸ軸方向の正側又は負側のいずれかに曲げてもよい。
【００６６】
なお、減衰ミラー３４、ダンパ部３５、第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７は、実施例１と同一の構成でよい。以上、実施例１〜３に光ファイバ４０のＢＰＰを満足する第１分割方式の実施例を示してきたが、この実施例以外にも光ファイバ４０のＢＰＰを満足する分割ミラー配置方式の変形例を含んでよい。
【００６７】
［実施例４］
図１４は、実施例４に係るレーザ光分割装置３０の構成の一例を示す。本例のレーザ光分割装置３０は、全反射ミラー３３及びハーフミラー３９で構成したレーザ光分割装置を備える。
【００６８】
レーザ光分割装置は、半導体レーザ光５をＭ本に分割する。本例のレーザ光分割装置は、全反射ミラー３３ｆ，３３ｇ及びハーフミラー３９ｆ，３９ｇを用いて、１本の半導体レーザ光５を３本に分割する。但し、レーザ光分割装置は、全反射ミラー３３及びハーフミラー３９の個数を変化させることにより、半導体レーザ光５を任意の本数に分割してよい。
【００６９】
ハーフミラー３９は、入射した半導体レーザ光５の一部を予め定められた方向に曲げ、他の一部を透過させる。即ち、ハーフミラー３９の個数に応じて半導体レーザ光５の分割本数Ｍが決定する。ハーフミラー３９は、平面基板３９１に形成したミラー半透過面３９２を有する。ハーフミラー３９は、入射した半導体レーザ光５の進行方向に対して、ミラー半透過面３９２の垂直軸が４５度をなすように配置する。また、ハーフミラー３９は、半導体レーザ光５を進行方向に対して右側に９０度曲げる。ハーフミラー３９ｆ，３９ｇの反射率は、ハーフミラー３９の個数に応じて任意に設定する。
【００７０】
全反射ミラー３３は、ハーフミラー３９が反射した半導体レーザ光５を任意の方向に反射する。反射率は１００％近い反射率を有する多層膜やアルミニウムや金薄膜を用いる。全反射ミラー３３は、平面基板３３１に形成したミラー反射面３３２を有する。例えば、ミラー反射面３３２は、ハーフミラー３９が反射した半導体レーザ光５の進行方向に対して４５度傾いた垂直軸を有する。本例の全反射ミラー３３は、ハーフミラー３９が半導体レーザ光５を進行方向に対して右側に９０度曲げた場合に、半導体レーザ光５を進行方向に対して左側に９０度曲げることにより、ハーフミラー３９を透過した半導体レーザ光５と同一方向に半導体レーザ光５を反射する。また、全反射ミラー３３ｆ，３３ｇは、ハーフミラー３９ｆ，３９ｇの反射した半導体レーザ光５をそれぞれ反射するよう、ハーフミラー３９ｆ，３９ｇにそれぞれ対応して配置する。なお、全反射ミラー３３は、ハーフミラー３９が透過した半導体レーザ光５を反射してもよい。
【００７１】
［実施例５］
図１５は、実施例５に係るレーザ光分割装置３０の構成の一例を示す。本例のレーザ光分割装置３０は、分割プリズム９０を備える。
【００７２】
分割プリズム９０は、半導体レーザ装置２０から入射した半導体レーザ光５をＭ本に分割する。分割プリズム９０は、プリズム基体９０１の斜面に反射率の高い多層膜９０２、アルミニウム金属膜、または金薄膜を備える。本例の分割プリズム９０の形状は四角錐である。分割プリズム９０は、半導体レーザ光５が四角錐の頂点から入射する位置に配置する。これにより、半導体レーザ光５の入射した頂点に隣接する４面から半導体レーザ光５が出射する。分割プリズム９０の形状は、半導体レーザ光５の分割する本数に応じて適宜変更してよい。レーザ光分割装置３０は、分割プリズム９０を用いることによって光学系を簡素化できる。
【００７３】
［実施例６］
図１６は、実施例６に係るレーザ光分割装置３０の構成の一例を示す。本例のレーザ光分割装置３０は、分割プリズム９１を備える。
【００７４】
分割プリズム９１は、半導体レーザ装置２０から入射した半導体レーザ光５をＭ本に分割する。分割プリズム９１は、プリズム基体９１１の斜面に反射率の高い多層膜９１２、アルミニウム金属膜、または金薄膜を備える。本例の分割プリズム９１は、立方体の分割プリズム９１ｂ内に形成した多面体の分割プリズム９１ａを有する。分割プリズム９１は、分割プリズム９１ａ，９１ｂの形状を調整することにより、半導体レーザ光５を任意の方向に分割する。本例の分割プリズム９１ａの形状は四角錐である。例えば、分割プリズム９１は、分割プリズム９１ｂに入射した半導体レーザ光５を、分割プリズム９１ａのＭ角錘の頂点に入射するように配置する。これにより、分割プリズム９１ａは、入射した半導体レーザ光５をＭ本に分割する。
【００７５】
［実施例７］
図１７は、第１分割方式に係るレーザ光分割装置３０への入射方法の一例を示す。本例のレーザ光分割装置３０は、Ｙ方向コリメータ３１、Ｘ方向コリメータ３２、光ファイバ４８及び集光レンズ４９を備える。
【００７６】
レーザ光分割装置３０は、半導体レーザ装置２０の出射した半導体レーザ光５を、集光レンズ４９を介して１個の光ファイバ４８に入射する。その後、光ファイバ４８が出射した半導体レーザ光５を、Ｙ方向コリメータ３１及びＸ方向コリメータ３２を通すことにより、平行な半導体レーザ光５に変換する。Ｙ方向コリメータ３１及びＸ方向コリメータ３２の順序は入れ替えてもよい。また、Ｙ方向コリメータ３１及びＸ方向コリメータ３２は、出射した平行光を、実施例１〜６で開示したレンズ系で半導体レーザ光５をＭ本に分割する。本例のレーザ光分割装置３０は、半導体レーザ装置２０からの半導体レーザ光５をレーザ光分割装置３０の内部で任意の方向に曲げることができるので、レーザ電源１０、半導体レーザ装置２０及びレーザ光分割装置３０の配置の自由度が向上する。
【００７７】
［実施例８］
図１８は、第２分割方式に係るレーザ光分割装置３０への入射方法の一例を示す。第２分割方式では、半導体レーザ装置２０の出射した半導体レーザ光５を複数のハーフミラーで分割する。本例の単結晶育成装置１００は、１台の半導体レーザ装置２０を有する。分割本数Ｍは５である。本例のレーザ光分割装置３０は、Ｙ方向コリメータ３１、Ｘ方向コリメータ３２、減衰ミラー３４、第１集光レンズ３６、第２集光レンズ３７及びハーフミラー３９を備える。
【００７８】
レーザ光分割装置３０は、半導体レーザ装置２０の出射した半導体レーザ光５をＹ方向コリメータ３１及びＸ方向コリメータ３２に入射する。Ｙ方向コリメータ３１及びＸ方向コリメータ３２は、半導体レーザ光５を平行なレーザ光に変換する。
【００７９】
ハーフミラー３９は、Ｙ方向コリメータ３１及びＸ方向コリメータ３２により変換した平行な半導体レーザ光５をＭ本に分割する。ハーフミラー３９は、多層膜構造の反射膜を有する。これにより、ハーフミラー３９は、入射した半導体レーザ光５の一部を予め定められた方向に曲げ、他の一部を透過させる。ハーフミラー３９は、入射した半導体レーザ光５の進行方向に対して、ハーフミラー３９の垂直軸が４５度をなすように配置する。ハーフミラー３９は、半導体レーザ光５を進行方向に対して左側に９０度曲げる。本例のハーフミラー３９は、ハーフミラー３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅを有する。ハーフミラー３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅの反射率は、それぞれ、光ファイバ４８に近いハーフミラー３９から１５％、１８．４％、２３．５％、３２．８％、５４％となる。
【００８０】
なお、本例の各ハーフミラー３９の損失は３％である。この場合、５本に分割した半導体レーザ光５の反射強度は、１５±０．１％内のほぼ等しい反射強度の半導体レーザ光５が得られる。また、５枚のハーフミラー３９を透過する半導体レーザ光５の強度は２％以下に抑えられる。
【００８１】
減衰ミラー３４は、ハーフミラー３９が反射した５本の半導体レーザ光５の反射強度を調整する。減衰ミラー３４は、ハーフミラー３９からの半導体レーザ光５の進行方向に対して減衰ミラー３４の垂直軸が４５度をなすように配置する。なお、減衰ミラー３４は、入射するＭ本の半導体レーザ光５と、減衰ミラー３４の垂直軸との角度を変更することなく移動するために、アクチュエータ等の機構を備えてよい。本例の減衰ミラー３４は、ハーフミラー３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅに対応する減衰ミラー３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅで構成する。なお、減衰ミラー３４は、ハーフミラー３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅの全てを設ける必要はない。
【００８２】
第１集光レンズ３６及び第２集光レンズ３７は、Ｍ本の半導体レーザ光５を、Ｍ本の光ファイバ４０に集光する。レーザ光分割装置３０は、略四角形の光ファイバ４０のＢＰＰを満足するように設計する。
【００８３】
第２分割方式に係るレーザ光分割装置３０は、半導体レーザ装置２０が半導体チップ２１の積層構造を有しない場合には有効な方式である。第２分割方式では、レーザ光分割装置３０の構成を簡略化できる。
【００８４】
［実施例９］
図１９は、第２分割方式に係るレーザ光分割装置３０の構成の一例を示す。本例の単結晶育成装置１００は、１台の半導体レーザ装置２０を有する。分割本数Ｍは５である。本例のレーザ光分割装置３０は、ハーフミラー３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅ及び光ファイバ４８をさらに備える。
【００８５】
レーザ光分割装置３０は、半導体レーザ装置２０の出射した半導体レーザ光５を、集光レンズ４９を介して１個の光ファイバ４８に入射する。その後、光ファイバ４８が出射した半導体レーザ光５を、Ｙ方向コリメータ３１及びＸ方向コリメータ３２を通すことにより、平行な半導体レーザ光５に変換する。Ｙ方向コリメータ３１及びＸ方向コリメータ３２の順序は入れ替えてもよい。Ｙ方向コリメータ３１及びＸ方向コリメータ３２の出射した半導体レーザ光５の分割方法は、実施例８の場合と同様であってよい。
【００８６】
図２０及び図２１は、第３分割方式に係る分割ファイバ８０の一例を示す。第３分割方式では、分割ミラーを用いる代わりに、分割ファイバ８０を用いて半導体レーザ光５を分割する。
【００８７】
本例のレーザ光分割装置３０は、分割ファイバ８０を有する。分割ファイバ８０は、入射口８１に入射した半導体レーザ光５を分割して出射するＭ個の出射口８２を有する。本例の分割ファイバ８０は、１つの入射口８１と２つの出射口８２を有する。また、分割ファイバ８０を用いれば、１つの入射口８１から入射した半導体レーザ光５を、５つの出射口８２から出射することもできる。分割ファイバ８０を用いることにより、レーザ光分割装置３０のレンズ系が簡単になる。なお、図２０の分割ファイバ８０は、出射口８２が円形の場合を示す。一方、図２１の分割ファイバ８０は、出射口８２が略四角形の場合を示す。
【００８８】
［実施例１０］
図２２は、レーザ照射ヘッド５０の構成の一例を示す。レーザ照射ヘッド５０は、レーザ照射ヘッド５１，５２，５３，５４，５５の一例である。本例のレーザ照射ヘッド５０は、集光レンズ５７及び折り返しミラー５８を備える。
【００８９】
集光レンズ５７は、光ファイバ４０から入射した加熱レーザ光３を折り返しミラー５８に集光する。折り返しミラー５８は、集光レンズ５７の集光した加熱レーザ光３を原料棒１及び種結晶棒２に向けて折り返す。トップフラットな照射強度分布をもつ３ｍｍ×８ｍｍの略四角形状照射例を示した。光ファイバ４０には、ファイバ許容半径Ｒ１があるので、単結晶育成装置１００の設置面積が大きくなる場合がある。しかし、本例の単結晶育成装置１００は、レーザ照射ヘッド５０を設けることにより、加熱レーザ光３の原料棒１及び種結晶棒２への照射方向に対して、光ファイバ４０の方向を直角に配置できるようになる。したがって、光ファイバ４０の光ファイバ許容半径Ｒ１の制限により、光学台５６の設置面積が増大するのを防止できる。
【００９０】
［比較例１］
図２３は、比較例１に係る単結晶育成装置５００の上面図を示す。本例の単結晶育成装置５００は、折り返しミラー５８を有さない。単結晶育成装置５００は、ファイバ許容半径Ｒ１の制限を守るために水平面内に５つのレーザ照射ヘッド５５１，５５２，５５３，５５４，５５５を配置しなければならない。そのため、単結晶育成装置５００は、ファイバ許容半径Ｒ１を考慮して、光学台５６の接地面積を大きくする必要がある。例えば、ファイバ許容半径Ｒ１が曲率３０ｃｍの場合、光学台５６は１５０ｃｍ×１５０ｃｍ程度の大きさが必要である。
【００９１】
図２４は、単結晶育成装置１００の上面図の一例を示す。本例の単結晶育成装置１００は、折り返しミラー５８を有するレーザ照射ヘッド５０を備える。そのため、レーザ照射ヘッド５０は、原料棒１及び種結晶棒２と平行に配置する。単原料棒１及び種結晶棒２と平行な方向にレーザ照射ヘッド５０を設けることにより、レーザ照射ヘッド５０に導入される光ファイバ４０のファイバ許容半径Ｒ１の制限が緩和する。そのため、ファイバ許容半径Ｒ１によらず、光学台５６の大きさを７０ｃｍ×７０ｃｍ程度とすれば、５台のレーザ照射ヘッド５０を設置できる。この結果、単結晶育成装置１００に係る光学台５６の設置面積は、単結晶育成装置５００の光学台５６の設置面積と比較しておよそ７５％程度削減できる。本例の単結晶育成装置１００は、設置スペースの削減によりコストが大幅に低減する。
【００９２】
［実施例１１］
図２５は、単結晶育成装置１００の構成の一例を示す。本例の単結晶育成装置１００は、光学台の天井部５９を有する。
【００９３】
天井部５９は、光学台５６よりも、原料棒１を吊るす原料棒保持部１１側に位置する。例えば、天井部５９は、レーザ照射ヘッド５１，５２，５３，５４，５５よりも上方に位置する。天井部５９は、レーザ照射ヘッド５１，５２，５３，５４，５５を固定する。また、天井部５９は、ダンパ６１，６２，６３，６４，６５等の単結晶育成装置１００が備える他の構成を予め定められた位置に固定してよい。これにより、実施例６に係る単結晶育成装置１００は、実施例１に係る単結晶育成装置１００よりも、光学台５６に固定する部品が少なくなるメリットがある。本例の単結晶育成装置１００は、天井部５９を有することにより、溶融帯４の観察用のカメラ、予備原料棒、予備石英管などを光学台５６に設置するスペースを容易に確保できる。
【００９４】
以上の通り、本明細書に係る単結晶育成装置１００は、レーザ電源１０を少なくとも１台設けるだけでよいので、レーザ電源１０のコストが低減する。また、単結晶育成装置１００は、半導体レーザ装置２０を少なくとも１台設けるだけでよいので、半導体レーザ装置２０にかかるコストと付帯設備は大幅に低減する。さらに、複数の半導体レーザ装置２０を用いなくてよいため、半導体レーザ装置２０の駆動を制御するシステムを簡素化できる。そして、折り返しミラー５８を有することにより、単結晶育成装置１００の設置スペースを縮小できる。
【００９５】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００９６】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００９７】
１・・・原料棒、２・・・種結晶棒、３・・・加熱レーザ光、４・・・溶融帯、５・・・半導体レーザ光、６・・・石英管、１１・・・原料棒保持部、１２・・・単結晶保持部、１０・・・レーザ電源、２０・・・半導体レーザ装置、２０１，２０２，２０３，２０４，２０５・・・半導体レーザ素子、２１・・・半導体チップ、２２・・・サブマウント、２３・・・ヒートシンク、２４・・・発光点、２５，２６，２７，２８・・・反射ミラー、３０・・・レーザ光分割装置、３１・・・Ｙ方向コリメータ、３２・・・Ｘ方向コリメータ、３３・・・全反射ミラー、３３１・・・平面基板、３３２・・・ミラー反射面、３４・・・減衰ミラー、３５・・・ダンパ部、３６・・・第１集光レンズ、３７・・・第２集光レンズ、３８・・・三角柱ミラー、３８１・・・三角基板、３８２・・・ミラー反射面、３９・・・ハーフミラー、３９１・・・平面基板、３９２・・・ミラー半透過面、４０，４１，４２，４３，４４，４５・・・光ファイバ、４６・・・光ファイバコア、４７・・・光ファイバクラッド、４８・・・光ファイバ、４９・・・集光レンズ、５０，５１，５２，５３，５４，５５・・・レーザ照射ヘッド、５６・・・光学台、５７・・・集光レンズ、５８・・・折り返しミラー、５９・・・天井部、６１，６２，６３，６４，６５・・・ダンパ、８０・・・分割ファイバ、８１・・・入射口、８２・・・出射口、９０・・・分割プリズム、９１・・・分割プリズム、１００・・・単結晶育成装置、５００・・・単結晶育成装置、５０１・・・原料棒、５１０・・・レーザ電源、５２０・・・半導体レーザ、５４０・・・光ファイバ、５５０，５５１，５５２，５５３，５５４，５５５・・・レーザ照射ヘッド、９０１・・・プリズム基体、９０２・・・多層膜、９１１・・・プリズム基体、９１２・・・多層膜
【図１】
0006635365.tif 000002
【図２】
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【図３】
0006635365.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
0006635365.tif 000008
【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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