(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶育成を行う際、種結晶と原料溶融液面との間の距離を、レーザー光を用いて計測する距離計測方法であって、
前記種結晶を前記原料溶融液面より上方の所定位置に配置する種結晶配置工程と、
前記種結晶の下端の一点と、前記原料溶融液面上の一点とで反射するように前記レーザー光を照射するレーザー光照射工程と、
前記レーザー光照射工程における前記レーザー光の反射光を受光し、前記種結晶の下端の第１の輝点と、前記原料溶融液面上の第２の輝点を撮像する撮像工程と、
前記種結晶を鉛直方向に移動させ、前記所定位置と異なる１以上の移動位置に配置し、各移動位置で前記レーザー光照射工程及び前記撮像工程を行うデータ取得工程と、
前記所定位置における前記第１の輝点と前記第２の輝点との間の第１の輝点間距離と、前記各移動位置における前記第１の輝点と前記第２の輝点との間の各輝点間距離と、前記所定位置及び前記各移動位置間の移動距離との関係に基づいて、前記第１の輝点と前記第２の輝点との間の輝点間距離がゼロとなる位置を算出することにより、前記種結晶と前記原料溶融液面との間の距離を計測する距離計測工程と、を有する距離計測方法。
【請求項２】
前記種結晶は角柱状であり、
前記種結晶の下端の一点は、前記種結晶の下端の一辺上の一点である請求項１に記載の距離計測方法。
【請求項３】
前記レーザー光は青色レーザー光であり、
前記撮像工程では、前記青色レーザー光のみを選択的に透過させるフィルターを介して前記第１及び第２の輝点を各々撮像する請求項１又は２に記載の距離計測方法。
【請求項４】
前記所定位置における前記第１の輝点と前記第２の輝点との間の第１の輝点間距離と、前記各移動位置における前記第１の輝点と前記第２の輝点との間の各輝点間距離と、前記所定位置及び前記各移動位置間の移動距離との関係は、前記移動距離に対する前記第１の輝点間距離及び前記各輝点間距離との間の変化率である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の距離計測方法。
【請求項５】
前記第１の輝点間距離及び前記各輝点間距離は、各々前記撮像工程において撮像した画像を用いて測定される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の距離計測方法。
【請求項６】
前記レーザー光が含まれる第１の面と、前記レーザー光の反射光が含まれる第２の面とは異なる面である請求項２乃至５のいずれか一項に記載の距離計測方法。
【請求項７】
前記レーザー光は、前記種結晶の下端の一辺に対して、上面視して斜めに照射される請求項６に記載の距離計測方法。
【請求項８】
前記レーザー光は、最初に前記種結晶の下端の一点に照射され、前記種結晶の下端からの一点の反射光が前記原料溶融液面上の一点に照射される請求項１乃至７のいずれか一項に記載の距離計測方法。
【請求項９】
前記レーザー光は、最初に前記原料溶融液面上の一点に照射され、前記原料溶融液面上の一点からの反射光が前記種結晶の下端に照射される請求項１乃至７のいずれか一項に記載の距離計測方法。
【請求項１０】
結晶育成を行う際、種結晶と原料溶融液の表面との間の距離を、レーザー光を用いて計測する距離計測装置であって、
前記原料溶融液を貯留可能な坩堝と、
該坩堝上で前記種結晶を保持可能であり、保持した前記種結晶を昇降可能な引き上げ軸と、
前記種結晶の下端の一点と、前記原料溶融液の表面上の一点とで反射するようにレーザー光を照射可能なレーザー光源と、
前記レーザー光の反射光を受光し、前記種結晶の下端の一点の第１の輝点と、前記原料溶融液の表面上の一点の第２の輝点とを撮像可能な撮像手段と、
前記引き上げ軸を制御して前記種結晶を所定位置で停止させ、前記レーザー光源に前記種結晶の下端の一点と、前記原料溶融液の表面上の一点とで反射するようにレーザー光を照射させ、前記撮像手段に、前記レーザー光の反射光を受光することにより前記種結晶の下端の一点の第１の輝点と、前記原料溶融液の表面上の一点の第２の輝点とを撮像させる処理を、前記種結晶を複数の位置で停止させて行う制御手段と、
該複数の位置の間の移動距離と、該複数の位置の各々で測定した前記第１の輝点と前記第２の輝点との間の輝点間距離との関係を用いて、前記輝点間距離がゼロとなる位置を算出することにより、前記種結晶と前記原料溶融液の表面との距離を計測する演算処理手段と、を有する距離計測装置。
【請求項１１】
前記レーザー光源は、青色レーザー光を発射する青色レーザー光源であり、
前記レーザー光の反射光の経路中に、前記青色レーザー光のみを透過させるフィルターを更に備えた請求項１０に記載の距離計測装置。
【請求項１２】
前記レーザー光源は、照射方向が調整可能に構成されている請求項１０又は１１に記載の距離計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離計測方法及び距離計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、サファイアなどの単結晶を製造する方法としては、坩堝内に収納された単結晶原料を溶融させ、この原料融液から単結晶を引き上げ成長させるチョクラルスキー法（ＣＺ法）が一般的に採用されている。この方法では、単結晶の育成を開始させるために種結晶を原料融液表面に接触させるシーディングを行うが、その際に原料融液表面の位置が不明であると適切なシーディングができないという問題がある。
【０００３】
そこで、かかる問題を解決すべく、原料融液表面の位置を測定する技術としては、シリコン単結晶育成時に原料融液表面の位置を一定に保つために、原料融液表面にレーザー光を照射して三角測量の原理で液面変位を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２６４７７９号公報
【特許文献２】特開２０００−３１３６９１号
【特許文献３】特許第４７３３９００号
【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、上述の特許文献１〜３に記載の方法により、単結晶育成時に原料融液表面の変位を検知することは可能となるが、原料融液表面と種結晶と相対的な距離を測定することはできないため、シーディングの安定化を図ることはできないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、サファイア結晶育成等に用いられるチョクラルスキー法による単結晶育成において、原料融液表面位置を検知し、原料融液表面と種結晶との間の距離を計測することができる距離計測方法及び距離計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る距離計測方法は、結晶育成を行う際、種結晶と原料溶融液面との間の距離を、レーザー光を用いて計測する距離計測方法であって、
前記種結晶を前記原料溶融液面より上方の所定位置に配置する種結晶配置工程と、
前記種結晶の下端の一点と、前記原料溶融液面上の一点とで反射するように前記レーザー光を照射するレーザー光照射工程と、
前記レーザー光照射工程における前記レーザー光の反射光を受光し、前記種結晶の下端の第１の輝点と、前記原料溶融液面上の第２の輝点を撮像する撮像工程と、
前記種結晶を鉛直方向に移動させ、前記所定位置と異なる１以上の移動位置に配置し、各移動位置で前記レーザー光照射工程及び前記撮像工程を行うデータ取得工程と、
前記所定位置における前記第１の輝点と前記第２の輝点との間の第１の輝点間距離と、前記各移動位置における前記第１の輝点と前記第２の輝点との間の各輝点間距離と、前記所定位置及び前記各移動位置間の移動距離との関係に基づいて、前記第１の輝点と前記第２の輝点との間の輝点間距離がゼロとなる位置を算出することにより、前記種結晶と前記原料溶融液面との間の距離を計測する距離計測工程と、を有する。
【０００８】
本発明の他の態様に係る距離計測装置は、結晶育成を行う際、種結晶と原料溶融液の表面との間の距離を、レーザー光を用いて計測する距離計測装置であって、
前記原料溶融液を貯留可能な坩堝と、
該坩堝上で前記種結晶を保持可能であり、保持した前記種結晶を昇降可能な引き上げ軸と、
前記種結晶の下端の一点と、前記原料溶融液の表面上の一点とで反射するようにレーザー光を照射可能なレーザー光源と、
前記レーザー光の反射光を受光し、前記種結晶の下端の一点の第１の輝点と、前記原料溶融液の表面上の一点の第２の輝点とを撮像可能な撮像手段と、
前記引き上げ軸を制御して前記種結晶を所定位置で停止させ、前記レーザー光源に前記種結晶の下端の一点と、前記原料溶融液の表面上の一点とで反射するようにレーザー光を照射させ、前記撮像手段に、前記レーザー光の反射光を受光することにより前記種結晶の下端の一点の第１の輝点と、前記原料溶融液の表面上の一点の第２の輝点とを撮像させる処理を、前記種結晶を複数の位置で停止させて行う制御手段と、
該複数の位置の間の移動距離と、該複数の位置の各々で測定した前記第１の輝点と前記第２の輝点との間の輝点間距離との関係を用いて、前記輝点間距離がゼロとなる位置を算出することにより、前記種結晶と前記原料溶融液の表面との距離を計測する演算処理手段と、を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、結晶育成炉内が高温で明るく発光し、シーディング部を目視で観察し難い場合でも、原料融液表面と種結晶との距離を正確に把握することができるため、容易にシーディングすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る距離測定装置の一例を示した全体構成図である。図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る距離測定装置の一例の側面図である。図１（ｂ）は、本発明の実施形態に係る距離測定装置の動作中の状態の一例を示した図である。
【図２】２地点間の種結晶の鉛直方向の移動距離と、各地点で撮像した輝点間の輝点間距離との関係の一例を示した図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る距離計測装置及び距離計測方法の一例を模式的に示した図である。図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る距離測定装置の一例の斜視図である。図３（ｂ）は、本発明の実施形態に係る距離測定装置の一例の上面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る距離測定方法のレーザー光の照射方法の一例を模式的に示した図である。図４（ａ）は、斜視図である。図４（ｂ）は、上面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る距離測定方法のレーザー光の照射方法の一例を模式的に示した図である。図５（ａ）は、斜視図である。図５（ｂ）は、上面図である。
【図６】種結晶の高さを変化させることにより、原料融液の表面に写ったレーザー光の反射光と種結晶の高さの距離が比例して変わることを模式的に表した図である。図６（ａ）は、結晶種の高さを高くした状態を示した図である。図６（ｂ）は、種結晶の高さを低くした状態を示した図である。
【図７】単結晶育成炉内の波長分布の一例を示した図である。
【図８】青色レーザー光を透過させるバンドパスフィルターの波長特性の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る距離測定装置の一例を示した全体構成図である。図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る距離測定装置の一例の側面図であり、図１（ｂ）は、本発明の実施形態に係る距離測定装置の動作中の状態の一例を示した図である。
【００１３】
図１（ａ）に示されるように、本発明の実施形態に係る距離測定装置は、レーザー光源１０と、カメラ２０と、減光フィルター３０と、引き上げ軸４０と、制御部５０と、演算処理部６０とを有する。また、関連構成要素として、結晶育成を行う結晶育成装置の坩堝１０が設けられる。更に、図１（ａ）において、結晶育成の際、距離の測定対象となる種結晶８０と原料融液９０が示されている。より正確には、測定対象となる距離は、種結晶８０と原料融液９０との間の距離であり、種結晶８０の下端面又は底面と、原料融液９０の表面との間の距離である。
【００１４】
レーザー光源１０は、種結晶８０及び原料融液９０にレーザー光Ｌ１を照射するための手段である。レーザー光源１０は、坩堝７０の遥か上方、具体的には結晶育成装置の外部に設けられ、遠方から種結晶８０及び原料融液９０にレーザー光Ｌ１を照射する。なお、結晶育成装置は、一般的に、保温材等からなるチャンバーにより周囲が囲まれるが、その場合には、チャンバーの所定箇所に観察窓を設け、観察窓を介してレーザー光Ｌ１を結晶育成装置内に導入可能に構成する。
【００１５】
レーザー光源１０は、レーザー光Ｌ１の照射方向が調整可能なように、照射方向、照射角度等が調整可能に構成される。これにより、異なる位置に配置された種結晶８０にレーザー光Ｌ１を照射することができる。なお、図１（ａ）に示されるように、レーザー光源１０は、例えば、種結晶８０の下端の一点をかすめる、又は種結晶８０の下端の一点に接するような状態で、種結晶８０及び原料融液９０に照射されてもよい。図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、種結晶８０が角柱状の形状を有する場合には、種結晶８０の下端の一辺上の一点をかすめるようにレーザー光Ｌ１が照射される。
【００１６】
また、本発明の実施形態に係る距離測定方法では、最初、種結晶８０を所定位置に停止させ、レーザー光Ｌ１を照射した後、種結晶８０を鉛直方向に移動させ、各移動地点において、レーザー光Ｌ１が種結晶８０の一点をかすめるような照射を行うため、かかる観点からも、レーザー光源１０は、照射方向を調整可能に構成される。なお、レーザー光源１０の照射方向の調整により、理論的には種結晶８０及び原料融液９０への入射角度が変化するが、レーザー光源１０は、種結晶８０及び原料融液９０から十分離れた位置に設置されるため、照射方向の調整のためにレーザー光源１０の角度等が異なっても、実質的には無視できる誤差の範疇で、入射角度は一定とみなすことができる。
【００１７】
図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、カメラ２０は、レーザー光Ｌ１の反射光Ｌ２を受光し、種結晶８０の下端の一点に発生する輝点Ｓ１及び原料融液９０の表面上の一点の輝点Ｓ２を撮像するための撮像手段である。レーザー光Ｌ１が照射した箇所において、レーザー光Ｌ１が反射し、反射光Ｌ２がカメラ２０に入射する。反射点は、カメラ２０で撮像すると、輝点Ｓ１、Ｓ２として認識することができる。よって、レーザー光Ｌ１の照射により発生した種結晶８０上の輝点Ｓ１及び原料融液９０上の輝点Ｓ２を検出すべく、カメラ２０は設けられる。
【００１８】
カメラ２０は、レーザー光Ｌ１の反射光Ｌ２を受光可能な坩堝７０よりも上方の位置に設けられる。上述のように、保温材等からなるチャンバーに結晶育成装置が囲まれる場合には、チャンバーの反射光Ｌ２の経路上にも観察窓が設けられ、観察窓を介してカメラ２０は反射光Ｌ２を受光し、輝点Ｓ１、Ｓ２を撮像する。なお、図１（ａ）、（ｂ）においては、カメラ２０は、レーザー光源１０の反対側に設けられているが、レーザー光Ｌ１の照射方向と、種結晶８０の下端の辺の向きとの関係により、種々の角度に反射することが考えられる。カメラ２０は、そのようなレーザー光Ｌ１の照射方向と、種結晶８０の向きとの関係を考慮し、反射光Ｌ２を受光可能な適切な位置に配置される。
【００１９】
減光フィルター３０は、光を減衰させるためのフィルターである。例えば、レーザー光源１０が、レーザー光Ｌ１として青色レーザー光を発射するレーザー光源１０である場合には、減光フィルターには、青色レーザー光のみを透過させるための青色レーザー光用バンドパスフィルターを用いるようにしてもよい。なお、減光フィルター３０は、反射光Ｌ２の経路上であって、カメラ２０の撮像面（受光面）２１と、原料融液９０との間の所定箇所に設けられる。例えば、カメラ２０の撮像面２１を覆うようにして設けられてもよい。
【００２０】
引き上げ軸４０は、種結晶８０を保持した状態で、種結晶８０を昇降させるための昇降手段である。本実施形態に係る距離測定装置においては、単結晶の引き上げ時ではなく、種結晶８０を原料融液９０の表面に接触させるシーディングを行う際に用いられるので、引き上げ軸４０の下降機能が主に用いられる。
【００２１】
制御部５０は、結晶育成装置及び距離測定装置を制御するための制御手段である。具体的には、制御部５０は、引き上げ軸４０の下降動作や、レーザー光源１０の照射方向の設定を含むレーザー光源１０の動作、カメラ２０の撮像動作等を制御する。制御部５０は、例えば、レーザー光源１０、カメラ２０、引き上げ軸４０等のアクチュエータに動作指令を出して、これらの動作を制御する。
【００２２】
また、制御部５０は、坩堝７０の加熱や成長した単結晶の引き上げ軸４０による引き上げ動作等、結晶育成動作の全体を制御してもよい。よって、制御部５０は、距離測定装置及び結晶育成装置と電気的に接続される。また、ここでは、距離測定装置と結晶育成装置の制御を制御部５０に統合した例を挙げて説明しているが、距離測定装置と結晶育成装置の制御部５０は、個別に構成されていてもよい。
【００２３】
制御部８０は、演算処理機能を有すれば、種々の構成としてよいが、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit、中央処理装置）及びＲＯＭ（Read  Only  Memory）やＲＡＭ（Random  Access  Memory）等の記憶手段を備え、プログラムにより動作するマイクロコンピュータや、特定の用途向けの集積回路として形成されたＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）として構成されてもよい。
【００２４】
演算処理部６０は、鉛直方向の複数位置に種結晶８０を移動させ、各位置で輝点Ｓ１、Ｓ２を撮像したときに、種結晶８０の移動距離と、輝点Ｓ１、Ｓ２間の距離との関係から、輝点Ｓ１、Ｓ２間の距離がゼロとなる時、つまり種結晶８０が原料融液９０の表面に接触した位置を算出するための演算処理を行うための演算処理手段である。演算処理の具体的な内容については後述するが、演算処理部６０も、制御部５０と同様、マイクロコンピュータやＡＩＳＣ等の集積回路からなる演算処理手段として構成されてもよい。また、図１（ａ）においては、制御部５０と演算処理部６０が別個に設けられた例を示しているが、演算処理部６０は、制御部５０内に統合されて設けられ、制御部５０が演算処理部６０の演算処理機能を実行するような構成としてもよい。
【００２５】
坩堝７０は、原料融液９０を貯留するために結晶育成装置内に設けられている。坩堝７０は、例えばサファイアの単結晶を育成する場合、２０００℃以上の温度に加熱されるため、耐熱性の高い金属材料で構成される。例えば、坩堝７０は、モリブデン（Ｍｏ）や、タングステン（Ｗ）で構成されてもよい。
【００２６】
種結晶８０は、坩堝７０内で育成された単結晶を引き上げるための結晶であり、例えば、直方体等の四角柱として構成される。
【００２７】
原料融液９０は、単結晶を育成するための原料となる材料である。例えば、サファイアの単結晶を育成する場合には、酸化アルミニウムが原料となり、原料融液９０は、酸化アルミニウムを溶融することにより形成される。
【００２８】
次に、図１に示した距離測定装置の動作及び機能について説明する。
【００２９】
図１（ａ）に示すように、レーザー光源１０から発せられた十分大きな強度のレーザービーム（レーザー光Ｌ１）を角度θで種結晶および原料融液に向けて照射し、種結晶、原料融液からの反射光（散乱光）をカメラ（受光部）２０で撮影する。
【００３０】
本実施形態に係る距離測定装置を用いて種結晶８０と原料融液９０との間の距離の測定を行う際には、レーザー光Ｌ１が種結晶８０の先端（下端）をかすめるように入射角度θを調節する。レーザー光Ｌ１が種結晶８０の下端の角部をかすめた際に生じた散乱光（反射光Ｌ２）はカメラ２０の撮像面２１に入射し、図１（ｂ）に示すように、輝点Ｓ１として観察される。また、種結晶８０の下端の角部で反射し、さらに原料融液９０の表面で反射されたレーザー光の反射光Ｌ２もカメラ２０の撮像面２１に入り、輝点Ｓ２として観察される。これらの２つの輝点Ｓ１、Ｓ２を同じ画像内に撮像し、画像内における輝点Ｓ１、Ｓ２間の距離を測定すると、種結晶８０の下端と原料融液９０の表面との間の距離がゼロ、つまり種結晶８０の下端と原料融液９０の表面が接触したときに、２つの輝点Ｓ１、Ｓ２が一致することになる。
【００３１】
図２は、２地点間の種結晶８０の鉛直方向の移動距離と、各地点で撮像した輝点Ｓ１、Ｓ２間の輝点間距離Ｄ１、Ｄ２との関係の一例を示した図である。図２に示されるように、種結晶８０の高さを変更しながら少なくとも２枚以上の画像を撮像し、画像として撮り込まれた２つの輝点Ｓ１、Ｓ２間の距離と、種結晶８０の鉛直方向における移動距離との関係を示すグラフを外掃し、２つの輝点Ｓ１、Ｓ２間の距離がゼロなる箇所を求めれば、そこが種結晶８０の下端と原料融液９０の表面とが接触する位置となり、そこから画像を撮り込んだときの原料融液表面から種結晶までの距離を計測することが可能となる。
【００３２】
図２において、種結晶８０が、位置Ａ１から位置Ａ２に移動した場合、移動距離は（Ａ１−Ａ２）となる。移動距離は、引き上げ軸４０により制御可能であり、正確な計測が可能な数値である。位置Ａ１における種結晶８０の輝点Ｓ１と、原料融液９０の表面上の輝点Ｓ２との距離がＤ１、位置Ａ２における種結晶８０の輝点Ｓ１と、原料融液９０の表面上の輝点Ｓ２との距離がＤ２の場合、各々の輝点間距離Ｄ１、Ｄ２をプロットし、種結晶移動距離（Ａ１−Ａ２）に対する変化率（傾き）を算出する。そうすると、正確な移動距離（Ａ１−Ａ２）に対する輝点間距離Ｄ１、Ｄ２の変化率を取得できることになる。そして、輝点間距離Ｄがゼロとなる位置Ａ０を算出すれば、種結晶８０の下端と原料融液９０の表面との間の距離を計測（算出）することができる。即ち、Ａ０点と、現在の地点との移動距離を正確に算出することができるので、その移動距離分、種結晶８０を下降させれば、原料融液９０の表面に種結晶８０の底面を接触させることができ、適切にシーディングを行うことができる。
【００３３】
かかる距離算出のための演算処理は、演算処理部６０で行うが、上述のように、演算処理部６０が制御部５０に組み込まれ、制御部５０で行うようにしてもよい。
【００３４】
なお、図２では、理解の容易のため、２地点のみで輝点Ｓ１、Ｓ２間距離Ｄ１、Ｄ２及び２地点間の移動距離（Ａ１−Ａ２）を用いて演算処理を行った例を挙げているが、測定データ点数が多い程正確性は増すので、２地点のみならず、３地点以上の複数点でレーザー光Ｌ１の照射及び輝点Ｓ１、Ｓ２の撮像を行い、それらの３個以上のデータから変化率を算出し、種結晶８０と原料融液９０との間の距離を計測してもよい。また、鉛直線上の各位置に種結晶８０を移動させる度に、レーザー光Ｌ１の照射方向の調整が必要となるが、上述のように、レーザー光源１０は、種結晶８０及び原料融液９０から十分離れた位置に配置されているので、調整による変更は無視できる誤差の範囲にあり、レーザー光Ｌ１の入射角度は一定とみなして演算処理を行うことができる。
【００３５】
図３は、本発明の一実施形態に係る距離計測装置及び距離計測方法の一例を模式的に示した図である。図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る距離測定装置の一例の斜視図であり、図３（ｂ）は、本発明の実施形態に係る距離測定装置の一例の上面図である。
【００３６】
図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施形態に係る距離計測装置は、レーザー光源１０と、カメラ（１次元カメラまたは２次元カメラ）２０を有する点は、図１と同様である。種結晶８０は直方体で、坩堝７０の中心の上方に配置されている。図１と同様、カメラ２０の手前には、減光フィルター３０が設置されている。また、これらのレーザー光源１０及び受光器たるカメラ２０は、単結晶育成炉の所定の位置に配置されるが、上述のように、単結晶育成炉（全体は図示せず）のチャンバー（図示せず）内は高温となるので、チャンバー外に配置し、チャンバーに設けた観察窓を介してレーザー光Ｌ１を照射し、画像を撮り込むのが好ましい。
【００３７】
本実施形態においては、坩堝７０の半径方向にほぼ鉛直な仮想面a内に、レーザー光源１０の光学中心軸と種結晶８０の中心軸とが配置されている。レーザー光源１０が仮想面a内で回転する機構を設けることにより、レーザー光Ｌ１は投射角度を変えて、坩堝７０の半径方向に沿った原料融液９０の表面上の任意の位置に照射される。同様に種結晶８０の中心軸とカメラ２０の光学中心軸も、坩堝７０の半径方向にほぼ鉛直な仮想面ｂ内に配置されている。
【００３８】
ここで、上述の特許文献１〜３では、レーザー光源１０と測定点と受光器は同一仮想面上にあることを前提に三角測量の原理で融液面の変位測定を行っていたが、本発明の実施形態においては、レーザー光Ｌ１を原料融液９０の表面または種結晶８０に一回反射させて輝点Ｓ１、Ｓ２を観測するため、レーザー光源１０とカメラ２０は、必ずしも半径方向に鉛直な同一仮想面にする必要はない。よって、レーザー光源１０とカメラ２０は、用途に応じて多様な配置とすることが可能であり、工場の種々のレイアウトに適合させることができる。
【００３９】
図４は、本発明の一実施形態に係る距離測定方法のレーザー光の照射方法の一例を模式的に示した図である。図４（ａ）は斜視図であり、図４（ｂ）は上面図である。
【００４０】
上述のように、レーザー光Ｌ１が原料融液９０の表面に当たった輝点Ｓ２の位置を知るには、原料融液９０の表面に照射されたレーザー光Ｌ１が、原料融液９０の表面で反射し、カメラ２０に入射することが必要である。
【００４１】
図４（ａ）、（ｂ）を用いて、レーザー光源と受光器が必ずしも半径方向に鉛直な同一平面にない場合の測定方法について、より詳細に説明する。図４（ａ）、（ｂ）では、レーザー光源１０とカメラ２０が、炉の上から見て、９０度の角度をもっている。このように、レーザー光源１０とカメラ２０とが同一平面にない場合でも、種結晶８０の回転角度を適切な角度に設定することにより、レーザー光Ｌ１を種結晶８０の先端（下端）の角部（一辺上）で反射させた光を、原料融液９０の表面で正反射させて、反射光Ｌ２をカメラ２０の方向に進行させることが可能である。これにより、カメラ２０は、レーザー光源１０と同一平面内には無いが、輝点Ｓ１、Ｓ２がカメラ２０の視野内にある状態となり、カメラ２０で輝点Ｓ１、Ｓ２を同一画面内に撮像することが可能となる。
【００４２】
図５は、本発明の一実施形態に係る距離測定方法のレーザー光の照射方法の一例を模式的に示した図である。図５（ａ）は斜視図であり、図５（ｂ）は上面図である。
【００４３】
図５に係る実施形態では、図４に係る実施形態とは異なり、最初に原料融液９０の表面上にレーザー光Ｌ１を入射させ、原料融液９０の表面で反射させたレーザー光を種結晶８０の下端に照射させ、種結晶８０の下端からの反射光Ｌ２がカメラ２０に入射する状態に設定している。図５（ｂ）に示されるように、この場合でも、輝点Ｓ１、Ｓ２はカメラ２０の視野内に存在するため、同一の画像内に輝点Ｓ１、Ｓ２の双方を撮像できる状態とすることができる。例えば、このようにして輝点Ｓ１、Ｓ２を観察し、種結晶８０と原料融液９０との間の距離を測定してもよい。但し、図４に係る実施形態の方は、図５に係る実施形態よりも輝点Ｓ１、Ｓ２を鮮明に観察することができ、コントラスト、Ｓ／Ｎ比の観点からは、図４に係る実施形態の方が図５に係る実施形態よりも優れている。
【００４４】
このように、種結晶８０の輝点Ｓ１及び原料融液９０の表面の輝点Ｓ２がカメラ２０の視野内にあり、同一画像内で輝点Ｓ１、Ｓ２の双方を撮像できる限り、レーザー光源１０及びカメラ２０は、用途に応じて種々の配置とすることができる。また、レーザー光Ｌ１の照射の順序も、種結晶８０、原料融液９０の順序であってもよいし、その逆であってもよく、これも用途に応じて適宜適切な設定とすることができる。
【００４５】
図６は、種結晶８０の高さを変化させることにより、原料融液９０の表面に写ったレーザー光Ｌ１の反射光Ｌ２と種結晶８０の高さの距離が比例して変わることを模式的に表した図である。図６（ａ）は、結晶種８０の高さを高くした状態を示した図であり、図６（ｂ）は、種結晶８０の高さを低くした状態を示した図である。
【００４６】
図６（ａ）、（ｂ）に示されるように、種結晶８０の底面基準での高さをＡ１としたときには、輝点Ｓ１、Ｓ２間の距離はＤ１となるが、種結晶８０の底面基準での高さをＡ１よりも低くＡ２としたときには、輝点Ｓ１、Ｓ２間の距離Ｄ２も距離Ｄ１より小さくなる。よって、種結晶８０の底面の高さは、輝点Ｓ１、Ｓ２間距離と比例関係にあり、輝点Ｓ１、Ｓ２間の距離Ｄをゼロとすることにより、原料融液９０の表面の位置Ａ０を計測することができる。なお、これは、図２の説明と合致している。
【００４７】
図７は、単結晶育成炉内の波長分布の一例を示した図である。炉内は、例えばサファイア結晶を育成する場合、２０００℃以上の高温となっているので、原料が融けて、白色に発光している状態である。レーザー光Ｌ１の反射を確認する場合、その画像は全体的に白く発光してレーザー光Ｌ１による輝点Ｓ１、Ｓ２が見え難いため、減光フィルター３０を設置し、減光フィルター３０越しに画像を取得するのが好ましい。カメラ２０で輝点を確認するには、減光フィルター３０をつけて、例えば１万分の１以下に光量を落とす必要があり、減光フィルター３０をつけた状態で輝点を確認するためには、出力波長が６３３ｎｍの赤色レーザーの場合、数１００ｍＷの出力のレーザー光Ｌ１を照射する必要がある。
【００４８】
しかし、図７の単結晶育成炉内の波長分布から分かるように、４００ｎｍ近辺の波長強度は弱く、波長４０５ｎｍの青色レーザーを照射した場合は、赤色レーザーよりも容易に輝点を観察することができる。
【００４９】
図８は、青色レーザー光を透過させるバンドパスフィルターの波長特性の一例を示した図である。例えば、１ｍＷ程度の低出力の青色レーザーを照射した場合、１万分の１に減衰する減衰フィルター越しでは輝点Ｓ１、Ｓ２を見ることはできないが、減衰フィルター３０として４０５ｎｍの波長の光のみを通すバンドパスフィルターを設置することで、低出力の青色レーザーでも輝点の観察ができるため、レーザー光の危険性の低減及び装置の低コスト化が図れ、より好ましい。
【００５０】
なお、本発明の実施形態に係る距離計測方法及び距離計測装置は、サファイア結晶のシーディングのみならず、種々の結晶のシーディングに用いることができる。結晶育成を行う際、殆どの結晶の原料融液９０の表面は鏡面状態であり、レーザー光Ｌ１の照射により、輝点Ｓ１、Ｓ２を撮像することが可能であるので、結晶の種類によらず、種々の結晶育成のシーディングに適用可能である。
【実施例】
【００５１】
次に、本発明に係る距離計測方法及び距離計測装置を実施した実施例について説明する。
【００５２】
〔実施例１〕
融液および種結晶を酸化アルミニウムとし、レーザー光源には最大出力が５００ｍＷの波長が６３３ｎｍの赤色レーザーを使用し、減光フィルターとして減衰率が１万分の１のＮＤフィルターを、カメラには２次元ＣＣＤカメラを使用して、単結晶育成炉内の原料融液表面から種結晶までの距離を計測したところ、測定可能であった。
【００５３】
〔実施例２〕
レーザー光源に出力が１ｍＷの波長が４０５ｎｍの青色レーザーを用い、減光フィルターとして透過中心が４０５ｎｍであり、透過率が５５％以上で半値幅１０ｎｍのバンドパスフィルターを用いた以外は、実施例１と同様にして単結晶育成炉内の原料融液表面から種結晶までの距離を計測したところ、測定可能であった。
【００５４】
このように、実施例１、２から、本実施例に係る距離計測方法及び距離計測装置により、適切に種結晶と原料融液表面との間の距離を適切に測定可能であることが示された。
【００５５】
本発明の実施形態及び実施例に係る距離計測方法及び距離計測装置によれば、結晶育成炉内が高温で明るく発光し、シーディング部を目視で観察し難い場合でも、原料融液表面と種結晶との距離を把握することができるため、容易にシーディングすることが可能となる。
【００５６】
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１０    レーザー光源
２０    カメラ
３０    減光フィルター
４０    引き上げ軸
５０    制御部
６０    演算処理部
７０    坩堝
８０    種結晶
９０    原料融液
【図１】
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【図２】
0006424724.tif 000003
【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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