(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料が収容された収容器を単結晶製造装置に配置するための宇宙実験用カートリッジにおいて、
外部の振動から前記収容器を保護する保護部材を備え、
前記保護部材は、前記収容器の外表面のうち少なくとも一部を露出させるように配置されることを特徴とする単結晶製造装置の宇宙実験用カートリッジ。
【請求項２】
前記保護部材は、前記収容器の外表面のうち内部で単結晶が成長する箇所を露出させるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の宇宙実験用カートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原料が収容された収容器を単結晶製造装置に配置するための宇宙実験用カートリッジに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高品質の単結晶を製造することを目的として、宇宙空間における単結晶製造技術の開発がなされている。この製造技術において、結晶の原料（素材）は、一般に、図９に示すように、石英製の収容器（石英アンプル）１０に収容され、金属製のカートリッジ１１を介して温度勾配炉などからなる単結晶製造装置に配置される。また、カートリッジ１１には、宇宙空間への輸送時における収容器１０の破損を防止するために、衝撃や振動から収容器１０を保護する保護部材１２が配置される。保護部材１２としては、単結晶製造時の処理温度に対して十分な耐熱性を有するもの、例えばセラミックシートあるいはカーボンシート等が用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のカートリッジ１１では、収容器１０の外表面のほぼ全面を覆うように保護部材１２が配置されるので、収容器１０を外側から加熱する際、保護部材１２によって収容器１０への熱の伝達が妨げられてしまう。そのため、処理温度や温度勾配などの熱的な条件に制約が生じ、単結晶の製造品質の向上を図るのが難しい。
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、収容器に効果的に熱を伝え、単結晶の製造品質の向上を図ることができる単結晶製造装置の宇宙実験用カートリッジを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、原料が収容された収容器を単結晶製造装置に配置するための宇宙実験用カートリッジにおいて、輸送時の振動から前記収容器を保護する保護部材を備え、前記保護部材は、前記収容器の外表面のうち少なくとも一部が露出するように配置される技術が採用される。
この単結晶製造装置の宇宙実験用カートリッジでは、収容器の外表面のうち少なくとも一部を露出させるように、収容器の保護部材が配置されるので、収容器の外表面のうち露出した部分に効果的に熱を伝えることが可能となる。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の宇宙実験用カートリッジにおいて、前記保護部材は、前記収容器の外表面のうち内部で単結晶が成長する箇所を露出させるように配置される技術が採用される。
この宇宙実験用カートリッジでは、収容器の外表面のうち内部で単結晶が成長する箇所を露出させるように保護部材が配置されるので、収容器内における単結晶の成長箇所に効果的に熱を伝えることが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る単結晶製造装置の宇宙実験用カートリッジの一実施形態について図面を参照して説明する。
図２は、本実施形態に係るカートリッジ２０を示しており、このカートリッジ２０は、全体が金属製で筒状に形成されるとともに、単結晶の原料（素材）が収容された石英製の収容器（石英アンプル）２１を内部に備えている。
【０００８】
ここで、図３は、カートリッジ２０が設置される単結晶製造装置としての温度勾配炉３０を示している。カートリッジ２０は、一端側のボス部２２を温度勾配炉３０の支持部３１に固定支持されることにより、収容器２１を内部に備えた他端側が温度勾配炉３０内に挿入状態に配置される。温度勾配炉３０は、筒状に形成される複数のヒータ３１，３２，３３，３４を備え、これらのヒータ３１〜３４は、各々がカートリッジ２０を包むように所定の軸線上に並べて配置されている。また、各ヒータ３１〜３４及び炉内の温度等の熱条件は、不図示の制御装置により制御されるようになっている。
【０００９】
図４は、原料が収容された収容器（石英アンプル）２１の内部構造を示している。
この図４において、符号４０は種結晶を示しており、例えばインジウム−ガリウム−ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）などが用いられる。また、符号４１は成長材料、４２は溶液（インジウムなど）を示している。また、符号４３は原料の種結晶等を保持するための容器としてのグラファイトルツボ、４４は石英内筒、４５はグラファイトプランジャ、４６はグラファイトスプリング、４７はカーボンクロスを示している。収容器２１は、これらの原料等を封入した状態で略筒状に形成されている。
【００１０】
また、収容器２１内の原料は、前述した温度勾配炉３０（図３参照）によって加熱されることにより、種結晶４０と溶液４２との間の境界面（成長界面４８）において凝固する。さらに、収容器２１に対してヒータ３１〜３４が軸方向に相対的に移動することにより収容器２１内の溶液４２の凝固が進行する。また、凝固により得られる結晶の品質は、成長界面４８の温度分布によって決定され、このときの加熱温度及び軸方向の温度勾配などは温度勾配炉３０によって制御される。
【００１１】
図５は、カートリッジ２０の内部構造を示している。
この図５において、符号５０は除熱用のヒートシンク、５１は温度測定用に収容器に対して複数設置される熱電対を示している。
【００１２】
ここで、宇宙実験用のカートリッジ２０では、打ち上げ時などの輸送時における収容器２１の破損を防止するために、カートリッジ２０の内周面と収容器２１の外周面との間に、衝撃や振動から収容器２１を保護する保護部材５２が配設されている。保護部材５２としては、単結晶製造時の処理温度に対して十分な耐熱性を有し、かつ消費スペースがすくないもの、例えばセラミックシートあるいはカーボンシートなどが用いられる。
【００１３】
また、保護部材５２は、筒状に形成されるとともに、収容器２１の外表面のうち少なくとも一部を露出させるように配置されている。ここでは、保護部材５２は、収容器２１の外表面のうち内部で単結晶が成長する箇所（成長界面４８）を露出させるように配置されている。より具体的には、保護部材５２は、単結晶４０が封入される側とは異なる一方の端部において、収容器２１の外周面の一部を覆うように配置されている。
【００１４】
この保護部材５２により、金属製のカートリッジ２０の内周面と石英製の収容器２１の外周面との接触が防止され、輸送時の衝撃や振動などから収容器２１の破損が防止される。なお、保護部材５２の配置側とは異なるもう一方の端部の外周面においては、ヒートシンク５０及び熱電対５１によってカートリッジ２０の内周面と収容器２１の外周面との接触が防止されている。
【００１５】
本実施形態に係るカートリッジ２０では、図１に示すように、収容器２１の外表面を露出させるように保護部材５２が配置されるので、金属製のカートリッジ２０に伝わった温度勾配炉３０の熱は、カートリッジ２０と収容器２１との間の気相を介して、あるいは、カートリッジ２０から収容器２１への輻射伝達により、直接収容器２１に伝わる。そのため、従来のように、保護部材１２によって温度勾配炉（ヒータ）からの熱の伝わりが妨げられるといったことが生じにくく、収容器２１内に効果的に熱が伝わる。特に、保護部材５２は、収容器２１の外表面のうち内部で単結晶が成長する箇所（成長界面４８、図４参照）を避けて配置されており、成長箇所に効果的に熱が伝わるために、成長箇所における加熱温度や温度分布といった制御が容易となる。
【００１６】
なお、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上記実施形態では、収容器２１の一方の端部にのみに保護部材５２が配置されているが、図６に示すように、収容器２１の軸方向の両方の端部に保護部材５２を配置するようにしてもよい。なお、この場合にも、収容器２１の外表面のうち内部で単結晶が成長する箇所（成長界面４８）を露出させるように保護部材５２を配置するのが好ましいことは言うまでもない。
【００１７】
次に、本発明の実施例について説明する。
図７のグラフは、図９に示した従来のカートリッジを用いた場合、及び図５に示した本発明に係るカートリッジを用いた場合の２つのケースについて、図３に示した温度勾配炉３０によって加熱処理したときの収容器の外表面温度を比較した結果を示している。
【００１８】
この図７から明らかなように、従来に比べて本発明に係るカートリッジでは、特に成長界面に相当する位置付近（熱電対座標）において、温度勾配が大きくなっていることが分かる。さらに、従来に比べてより高温まで加熱することが可能であることが分かる。
【００１９】
また、図８のグラフは、加熱温度が１０７５℃の状態における成長界面温度と温度勾配との関係を示しており、複数のヒータ位置（ａ−１〜ａ−７、ａ−０〜ａ−６）にわたって計測した。また、この図８のグラフにおいて、点線は従来のカートリッジを用いた場合、実線は本発明に係るカートリッジを用いた場合の計測結果をそれぞれ示している。
【００２０】
この図８から、本発明に係るカートリッジでは、いずれの成長界面温度及びヒータ位置においても、従来に比べて温度勾配が大幅に向上していることが分かる。温度勾配炉を用いた単結晶の製造過程では、結晶の品質は成長界面の温度分布によって決定される。そのため、高品質な単結晶を製造するには、成長界面付近の温度勾配を適切に制御する必要がある。本発明に係るカートリッジによれば、温度勾配の制御範囲を従来に比べてより大きくすることが可能であり、品質の高い単結晶を製造することが可能である。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る単結晶製造装置の宇宙実験用カートリッジによれば、収容器の外表面のうち少なくとも一部を露出させるように保護部材が配置されるので、収容器の外表面のうち露出した部分に効果的に熱を伝えることができる。しかも、収容器の外表面のうち内部で単結晶が成長する箇所を避けて、保護部材を配置することにより、単結晶の成長箇所に効果的に熱を伝えることができる。したがって、単結晶製造時における、処理温度や温度勾配などの熱的な条件を適切に定めることが容易となり、単結晶の品質向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るカートリッジ（軸線を境に下半分）と従来のカートリッジ（上半分）とを比較するモデル図である。
【図２】  本発明に係る宇宙実験用カートリッジを示す断面図である。
【図３】  単結晶製造装置としての温度勾配炉を示す概略断面図である。
【図４】  収容器の内部構造を示す図である。
【図５】  本発明に係る宇宙実験用カートリッジの内部構造を示す図である。
【図６】  本発明に係る宇宙実験用カートリッジの他の実施形態を示す模式図である。
【図７】  収容器の外表面温度について従来のカートリッジと本発明のカートリッジを比較した実施例を示すグラフ図である。
【図８】  成長界面の温度と温度勾配について、従来のカートリッジと本発明のカートリッジを比較した実施例を示すグラフ図である。
【図９】  従来の宇宙実験用カートリッジの内部構造を示す図である。
【符号の説明】
１０，２１  収容器
１１，２０  カートリッジ
１２，５２  保護部材
３０  温度勾配炉（単結晶製造装置）
４０  種結晶
４１  成長材料
４２  溶液
４８  成長界面
【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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