(57)【要約】【課題】試料が導体であるか否かに関係なく、試料を個別に浮遊させつつ溶融させて各々の温度を維持しながら融合することができ、外的干渉を排除した状態での融合を実現する。【解決手段】真空チャンバー２と、真空チャンバー２内で対向させた主電極３と、主電極３，３間の電場により浮遊する試料Ｓを所定位置Ｐに移動させる補助電極４と、試料Ｓにレーザ光Ｌａを照射して溶融するレーザ照射部５を備えた静電浮遊炉において、主電極３を上下方向に適宜間隔をもって複数配置して隣接する主電極３，３間に電場発生空間Ａを形成する。電場発生空間Ａの各々に対応して補助電極４を配置する。上端の主電極３Ｕ側及び下端の主電極３Ｌ側のいずれにもレーザ照射部５を配置して同軸上で互いに対向させ、中間の主電極３の中心には試料Ｓが通過し得る貫通孔３ａを設けた。【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバーと、この真空チャンバー内で対向させた主電極と、上記主電極間で生じさせた電場により浮遊する試料を所定位置に移動させる補助電極と、所定位置に移動した試料にレーザ光を照射して溶融するレーザ照射部を備えた静電浮遊炉において、上記主電極を上下方向に適宜間隔をもって複数配置して隣接する主電極間に電場発生空間をそれぞれ形成すると共に、これらの電場発生空間の各々に対応して補助電極をそれぞれ配置し、上端に位置する主電極側及び下端に位置する主電極側のいずれにも上記レーザ照射部を配置して同軸上で互いに対向させ、中間に位置する主電極のレーザ光の光路上には試料が通過し得る貫通孔を設けたことを特徴とする静電浮遊炉。
【請求項２】
真空チャンバーと、この真空チャンバー内で対向させた主電極と、上記主電極間で生じさせた電場により浮遊する試料を所定位置に移動させる補助電極と、所定位置に移動した試料にレーザ光を照射して溶融するレーザ照射部を備えた静電浮遊炉において、電場発生空間を形成する一対の主電極を上下方向に複数組積層すると共に、複数の電場発生空間の各々に対応して補助電極をそれぞれ配置し、上端に位置する主電極側及び下端に位置する主電極側のいずれにも上記レーザ照射部を配置して同軸上で互いに対向させ、中間に位置する主電極のレーザ光の光路上には試料が通過し得る貫通孔を設けたことを特徴とする静電浮遊炉。
【請求項３】
試料を撮影するＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラと、光を試料に照射する背景光源と、輪郭強調の画像処理をリアルタイムで実施して浮遊状態にある試料の重心位置を出力するデジタルシグナルプロセッサを具備した撮像装置を隣接する電場発生空間に跨って設けた請求項１又は２に記載の静電浮遊炉。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載された静電浮遊炉を用いて複数の試料を融合するに際して、
複数の電場発生空間のうちのいずれかの電場発生空間におけるレーザ光の光路上で第１の試料を浮遊させるのに続いて、一方の主電極側のレーザ照射部から第１の試料に対してレーザ光を照射して溶融させる工程、
レーザ光を照射することで溶融状態を維持した第１の試料を浮遊させつつ、上記電場発生空間とは異なる電場発生空間におけるレーザ光の光路上で第２の試料を浮遊させるのに続いて、他方の主電極側のレーザ照射部から第２の試料に対してレーザ光を照射して溶融させる工程、
第１の試料を溶融状態で浮遊させている電場発生空間及び第２の試料を溶融状態で浮遊させている電場発生空間のうちの上方に位置する電場発生空間から、試料の温度と位置と落下速度を制御しつつ中間に位置する主電極の貫通孔を通して下方に位置する電場発生空間に移動させて、溶融状態にある試料同士を浮遊させたまま融合する工程、
一方のレーザ照射部及び他方のレーザ照射部からのレーザ光の照射をいずれも停止して第１の試料及び第２の試料の融合体を凝固させた後、下方に位置する電場発生空間内の所定位置に移動させる工程、
を経て複数の試料を融合することを特徴とする静電浮遊炉を用いた試料の融合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、帯電させた試料を電極間で発生する電場により浮遊状態にし、この試料に加熱処理を行うのに用いられる静電浮遊炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来における静電浮遊炉としては、扁平な概略円筒状の真空チャンバー内に、同チャンバーの軸線であるＺ軸上に一対の主電極を配置すると共に、これに直交するＸ軸上およびＹ軸上に夫々一対の補助電極を配置したものがある。
【０００３】
この静電浮遊炉は、主電極間に投入した試料を電極接触、紫外線照射あるいは加熱により帯電させた後、主電極間で発生する電場によって試料を浮遊状態にし、この際、主電極間や補助電極間の電位をコントロールすることで試料を所定の位置に維持し、この試料にレーザ光を照射して加熱溶融する。このように加熱溶融させた試料を冷却凝固させることにより、外的干渉を排除した状態（容器を使わない状態）で結晶を生成することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記した従来の静電浮遊炉において、試料を浮遊させた状態で溶融させることはできるものの、１つの電場で複数の試料を浮遊させることが不可能であることから、２つないしそれ以上の試料を浮遊させつつ融合することはできない。
【０００５】
ここで、上記した静電浮遊炉以外の浮遊炉として、試料を電磁的に浮遊させる電磁浮遊炉が知られているが、この電磁浮遊炉を用いて、例えば、２つの試料を融合させる場合、２つの試料を重ねた状態で加熱し、電気抵抗の違いによって先に溶融した試料を溶融していない試料に付着させた後、両者を一体で浮遊させて全体的に溶融させて融合するようにしているため、外的干渉を排除した状態での融合（無容器での融合）とは言えないという問題があるのに加えて、２つの試料の温度を個別に調節することができないという問題を有していた。
【０００６】
また、電磁浮遊炉をもってしても、溶融しないと浮遊させることができない不導体同士の融合が極めて困難であるのは言うまでもなく、これらの問題を解決することが課題であった。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目して成されたものであって、例えば、２つの試料を融合する場合、試料が導体であるか否かに関係なく、試料を個別に浮遊させつつ溶融させてそれぞれの温度を維持しながら融合することができ、その結果、外的干渉を排除した状態での融合を実現することが可能である静電浮遊炉及びこれを用いた試料の融合方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の静電浮遊炉は、真空チャンバーと、この真空チャンバー内で対向させた主電極と、上記主電極間で生じさせた電場により浮遊する試料を所定位置に移動させる補助電極と、所定位置に移動した試料にレーザ光を照射して溶融するレーザ照射部を備えた静電浮遊炉において、上記主電極を上下方向に適宜間隔をもって複数配置して隣接する主電極間に電場発生空間をそれぞれ形成すると共に、これらの電場発生空間の各々に対応して補助電極をそれぞれ配置し、上端に位置する主電極側及び下端に位置する主電極側のいずれにも上記レーザ照射部を配置して同軸上で互いに対向させ、中間に位置する主電極のレーザ光の光路上には試料が通過し得る貫通孔を設けた構成としており、上記した静電浮遊炉の構成を前述の従来の課題を解決するための手段としている。
【０００９】
本発明の請求項２の静電浮遊炉は、真空チャンバーと、この真空チャンバー内で対向させた主電極と、上記主電極間で生じさせた電場により浮遊する試料を所定位置に移動させる補助電極と、所定位置に移動した試料にレーザ光を照射して溶融するレーザ照射部を備えた静電浮遊炉において、電場発生空間を形成する一対の主電極を上下方向に複数組積層すると共に、複数の電場発生空間の各々に対応して補助電極をそれぞれ配置し、上端に位置する主電極側及び下端に位置する主電極側のいずれにも上記レーザ照射部を配置して同軸上で互いに対向させ、中間に位置する主電極のレーザ光の光路上には試料が通過し得る貫通孔を設けた構成としており、上記した静電浮遊炉の構成を前述の従来の課題を解決するための手段としている。
【００１０】
本発明の請求項３の静電浮遊炉は、試料を撮影するＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラと、光を試料に照射する背景光源と、輪郭強調の画像処理をリアルタイムで実施して浮遊状態にある試料の重心位置を出力するデジタルシグナルプロセッサを具備した撮像装置を隣接する電場発生空間に跨って設けた構成としている。
【００１１】
一方、本発明の静電浮遊炉を用いた試料の融合方法は、請求項１〜３のいずれかに記載された静電浮遊炉を用いて複数の試料を融合するに際して、複数の電場発生空間のうちのいずれかの電場発生空間におけるレーザ光の光路上で第１の試料を浮遊させるのに続いて、一方の主電極側のレーザ照射部から第１の試料に対してレーザ光を照射して溶融させる工程、レーザ光を照射することで溶融状態を維持した第１の試料を浮遊させつつ、上記電場発生空間とは異なる電場発生空間におけるレーザ光の光路上で第２の試料を浮遊させるのに続いて、他方の主電極側のレーザ照射部から第２の試料に対してレーザ光を照射して溶融させる工程、第１の試料を溶融状態で浮遊させている電場発生空間及び第２の試料を溶融状態で浮遊させている電場発生空間のうちの上方に位置する電場発生空間から、試料の温度と位置と落下速度を制御しつつ中間に位置する主電極の貫通孔を通して下方に位置する電場発生空間に移動させて、溶融状態にある試料同士を浮遊させたまま融合する工程、一方のレーザ照射部及び他方のレーザ照射部からのレーザ光の照射をいずれも停止して第１の試料及び第２の試料の融合体を凝固させた後、下方に位置する電場発生空間内の所定位置に移動させる工程、を経て複数の試料を融合する構成としており、上記した静電浮遊炉を用いた試料の融合方法の構成を前述の従来の課題を解決するための手段としている。
【００１２】
【発明の作用】
本発明の請求項１及び請求項２の静電浮遊炉では、電場発生空間を複数有しているうえ、これらの電場発生空間の各々に対応する補助電極を有しているので、電場発生空間のそれぞれにおいて試料を浮遊させて移動させ得ることとなり、電場発生空間で浮遊する各試料に対して上端に位置する主電極側のレーザ照射部及び下端に位置する主電極側のレーザ照射部からレーザ光をそれぞれ照射すると、浮遊する試料を個別に溶融させてそれぞれの温度を維持し得ることとなり、この状態で、上方に位置する電場発生空間から試料の温度と位置と落下速度を制御しつつ中間に位置する主電極の貫通孔を通して下方に位置する電場発生空間に移動させれば、溶融状態にある試料同士が浮遊したまま融合することとなる。
【００１３】
また、試料は融合するまでの間、各々の電場発生空間において独立して浮遊するので、例えば、試料の位置情報を得るための撮像装置を隣接する２つの電場発生空間に跨って設置すれば、１つの撮像装置で一方の電場発生空間内の試料及び他方の電場発生空間内の試料を個々に追跡し得ることとなり、上記撮像装置を複数の電場発生空間の数に合わせて設置しなくて済む分だけ、静電浮遊炉のコンパクト化が図られることとなる。
【００１４】
本発明の請求項３に係わる静電浮遊炉では、隣接する電場発生空間に跨って設けた撮像装置のＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラで試料を個別に追跡して、デジタルシグナルプロセッサの画像処理により、試料の位置情報を約１ｋＨｚの高速でサンプリングし得ることとなる。
【００１５】
一方、本発明の請求項４に係わる静電浮遊炉を用いた試料の融合方法では、上記した構成としているので、試料を個別に浮遊させつつ溶融させてそれぞれの温度を維持しながら融合し得ることとなる。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１及び請求項２の静電浮遊炉並びに請求項４の静電浮遊炉を用いた試料の融合方法によれば、例えば、２つの試料を融合する場合において、試料が導体であるか否かを問わず、試料を個別に浮遊させつつ溶融させることができるうえ、それぞれの試料の温度を維持しながら融合することができ、したがって、外的干渉を排除した状態、いわゆる容器を用いない状態での融合を実現することが可能になるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１７】
また、例えば、試料の位置情報を得るための撮像装置を隣接する２つの電場発生空間に跨って設置するだけで、一方の電場発生空間内の試料及び他方の電場発生空間内の試料を個々に追跡することができ、したがって、上記撮像装置を複数の電場発生空間の数に合わせて設置しなくて済む分だけ、静電浮遊炉のコンパクト化が実現可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１８】
請求項３の静電浮遊炉では、静電浮遊炉のコンパクト化を実現したうえで、複数の電場発生空間においてそれぞれ浮遊する試料の各位置情報を高速サンプリングすることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。なお、本発明の静電浮遊炉は、各部の詳細な構成が以下の実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
【００２０】
図１〜図４は、本発明の静電浮遊炉の一実施例を示しており、図１〜図３に示すように、この静電浮遊炉１は、真空チャンバー２（図２のみに示す）と、この真空チャンバー２内において上下方向に５〜１０ｍｍの間隔をおいて設けた複数枚（この実施例では３枚の）の円盤状の主電極３を備えており、隣接する主電極３，３間を電場発生空間Ａとしてある。
【００２１】
また、この静電浮遊炉１は、主電極３，３間の電場発生空間Ａで生じさせた電場により浮遊する試料Ｓを所定位置（主電極３の中心を通る軸Ｐ上）に移動させる補助電極４と、所定位置に移動した試料Ｓにレーザ光Ｌａを照射して溶融するレーザ照射部５を備えている。
【００２２】
上記補助電極４は、主電極３の配列方向、すなわち、軸Ｐと直交する平面内において互いに直交する２つの軸Ｑ，Ｒ上にそれぞれ対を成して配置してあり、一方、レーザ照射部５は、上端に位置する主電極（一方の主電極）３Ｕ側及び下端に位置する主電極（他方の主電極）３Ｌ側のいずれにも配置してあって、これらのレーザ照射部５は、軸Ｐ上において互いに対向させてある。
【００２３】
この場合、上端の主電極３Ｕ及び下端の主電極３Ｌには、高速高電圧アンプ６がそれぞれ接続してあり、中央に位置する主電極３Ｃの軸Ｐが通過する中心には、すなわち、レーザ光Ｌａの光路上にあたる中心には、試料Ｓが通過し得る貫通孔３ａが設けてある。
【００２４】
さらに、この静電浮遊炉１は、２つの電場発生空間Ａ，Ａに跨って設置した撮像装置１０を備えている。この撮像装置１０は、電場発生空間Ａ，Ａの各内部においてそれぞれ独立して浮遊する試料Ｓ，Ｓを撮影するＣＣＤカメラ１１（あるいはＣＭＯＳカメラ）と、試料Ｓを間にしてＣＣＤカメラ１１とは反対側に取り付けられて波長が４００〜４５０ｎｍの光を試料Ｓに向けて照射する背景光源としてのメタルハライド光源１２と、ＣＣＤカメラ１１で捕えた画像について輪郭を強調する画像処理をリアルタイムで実施して浮遊状態にある試料Ｓの重心位置を出力するデジタルシグナルプロセッサ（図示省略）を具備しており、互いに直交するようにして２組配置してある。
【００２５】
なお、図１及び図３の符号３ｂは、試料載置スポットである。
【００２６】
次に、上記構成の静電浮遊炉１を用いて試料を融合する要領を説明する。
【００２７】
まず、図４（ａ）に示すように、２つの電場発生空間Ａのうちの下方に位置する電場発生空間Ａに投入した第１の試料Ｓ１（Ｓ）を帯電させた後、主電極３Ｃ，３Ｌ間の電場発生空間Ａで発生する電場によって試料Ｓ１を浮遊状態にすると共に、主電極３Ｃ，３Ｌ間や補助電極４，４間の電位差をコントロールすることで試料Ｓ１を所定位置Ｐに移動させて維持し、この状態で下方のレーザ照射部５から第１の試料Ｓ１に対してレーザ光Ｌａを照射して溶融させる（第１工程）。
【００２８】
次いで、図４（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌａを照射することで溶融状態が維持された第１の試料Ｓ１を所定位置Ｐにおいて浮遊させつつ、上方の電場発生空間Ａに投入した第２の試料Ｓ２（Ｓ）を帯電させた後、主電極３Ｃ，３Ｕ間の電場発生空間Ａで発生する電場によって試料Ｓ２を浮遊状態にすると共に、主電極３Ｃ，３Ｕ間及び補助電極４，４間の電位差をコントロールすることで試料Ｓ２を所定位置Ｐに移動させて維持し、上方のレーザ照射部５から第２の試料Ｓ２に対してレーザ光Ｌａを照射して溶融させる（第２工程）。
【００２９】
次に、図４（ｃ）に示すように、第２の試料Ｓ２を溶融状態で浮遊させている上方に位置する電場発生空間Ａから、試料Ｓ２の温度と位置と落下速度を制御しつつ中間に位置する主電極３Ｃの貫通孔３ａを通して下方の電場発生空間Ａに移動させて、溶融状態にある試料Ｓ１，Ｓ２同士を浮遊させたまま融合する（第３工程）。
【００３０】
そして、上下のレーザ照射部５，５からのレーザ光Ｌａの照射をいずれも停止して第１の試料Ｓ１及び第２の試料Ｓ２の融合体Ｓ’を凝固させた後、主電極３Ｃ，３Ｌ間及び補助電極４，４間の電位差をコントロールして試料Ｓ１を下方の電場発生空間Ａ内の載置スポット３ｂに移動させる（第４工程）。
【００３１】
上記工程において、２つの電場発生空間Ａ，Ａに跨って設置した互いに直交する２組の撮像装置１０の各ＣＣＤカメラ１１が試料Ｓ１，Ｓ２を個別に追跡し、デジタルシグナルプロセッサの画像処理によって、試料Ｓ１，Ｓ２の各位置情報を約１ｋＨｚの高速でそれぞれサンプリングすることで、試料Ｓ１，Ｓ２の位置を絶えず認識している。
【００３２】
上記したように、この実施例の静電浮遊炉１及びこの静電浮遊炉１を用いた試料の融合方法によれば、試料Ｓが導体であるか否かを問わず、試料Ｓ１，Ｓ２を個別に浮遊させつつ溶融させることができ、加えて、試料Ｓ１，Ｓ２個々の温度を維持しながら融合することができるので、容器を用いない状態での試料Ｓ１，Ｓ２の融合が可能になる。
【００３３】
また、上記静電浮遊炉１では、試料Ｓ１，Ｓ２を各々の電場発生空間Ａ，Ａにおいて独立して浮遊させるようにしているので、互いに直交するようにして電場発生空間Ａ，Ａに跨って設置した２組の撮像装置１０，１０により、第１の試料Ｓ１及び第２の試料Ｓ２を個々に追跡し得ることとなり、上記撮像装置１０の設置台数を少なく抑えて全体のコンパクト化を図りつつ、２つの電場発生空間Ａにおいてそれぞれ浮遊する試料Ｓ１，Ｓ２の各位置情報を高速サンプリングし得ることとなる。
【００３４】
上記した実施例では、２つの電場発生空間Ａのうちの下方に位置する電場発生空間Ａに投入した第１の試料Ｓ１を溶融させた後、上方に位置する電場発生空間Ａに投入した第２の試料Ｓ２を溶融する場合を示したが、上方の電場発生空間Ａに投入した第２の試料Ｓ２を先に溶融させたり、両試料Ｓ１，Ｓ２を同時に溶融させたりしてもよい。
【００３５】
図５は本発明の静電浮遊炉の他の実施例を示しており、この実施例の静電浮遊炉２１が先の実施例の静電浮遊炉１と相違するところは、電場発生空間Ａを形成する一対の主電極２３，２３を絶縁層２７を介して上下方向に２組積層すると共に、主電極２３に高速高電圧アンプ６をそれぞれ接続し、中間に位置する主電極２３に設けた貫通孔２３ａとほぼ同じサイズの貫通孔２７ａを絶縁層２７に設けた点にあり、他の構成は先の実施例の静電浮遊炉１と同じである。
【００３６】
この静電浮遊炉２１においても、試料Ｓが導体であるか否かにかかわらず、試料Ｓ１，Ｓ２を個別に浮遊させつつ溶融させることができると共に、試料Ｓ１，Ｓ２個々の温度を維持しながら融合することが可能であり、したがって、容器を用いない状態での試料Ｓ１，Ｓ２の融合が可能になる。加えて、主電極２３に高速高電圧アンプ６をそれぞれ接続しているので、ピーク電圧の高いアンプ（例えば、ピーク電圧が２０ｋＶのアンプ）を用いずに高電位差の電場を生じさせることができる、すなわち、システムが簡易になるピーク電圧の低いアンプ（例えば、ピーク電圧が１０ｋＶのアンプ）のみで高電位差の電場を生じさせることができる。
【００３７】
上記した実施例では、いずれも２つの電場発生空間Ａを形成して、２つの試料Ｓ１，Ｓ２を融合する場合を示したが、これに限定されるものではなく、主電極３，２３を多数並べることで電場発生空間Ａを多数形成し、これらの電場発生空間Ａに応じた数の試料Ｓを順次融合することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の静電浮遊炉の一実施例を示す主電極及び補助電極の配置状況説明図である。
【図２】図１における静電浮遊炉の横断面説明図である。
【図３】図１における静電浮遊炉の簡略縦断面説明図である。
【図４】図１における静電浮遊炉を用いて試料を融合する要領を示す工程説明図（ａ）〜（ｄ）である。
【図５】本発明の静電浮遊炉の他の実施例を示す簡略縦断面説明図である。
【符号の説明】
１，２１  静電浮遊炉
２  真空チャンバー
３（３Ｕ，３Ｃ，３Ｌ），２３  主電極
３ａ，２３ａ  貫通孔
４  補助電極
５  レーザ照射部
１０  撮像装置
１１  ＣＣＤカメラ
１２  メタルハライド光源（背景光源）
Ａ  電場発生空間
Ｌａ  レーザ光
Ｐ  所定位置（主電極３の中心を通る軸上）
Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）  試料
【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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