JPH0161238B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、フローテイングゾーン法による単結
晶の製造等に用いられる輻射線加熱装置に関する
ものである。

輻射線加熱装置は、回転楕円面鏡から成る反射
鏡の一方の焦点に熱光源をおき、もう一方の焦点
に試料をおいて、熱光源から出した光（輻射線）
の試料側の焦点に集光し、試料を加熱するもので
ある。この装置には反射鏡を１個の回転楕円面の
みで構成する単楕円型、反射鏡が２個の回転楕円
面の組合せで構成される双楕円型、更に反射鏡を
３個以上の回転楕円面の組合わせで構成する多楕
円型とがある。

通常、輻射線加熱装置では、反射鏡の汚染を防
ぎ試料のまわりを任意の雰囲気ガスで包むなどの
目的で、石英などの耐熱性ガラスで構成された炉
心管を試料の外側に装着するが、本発明はこの炉
心管の装着のための構造に関するものである。

次に従来の輻射線加熱装置の欠点を図に従つて
説明する。

第１図は単楕円型の輻射線加熱装置の従来例の
主要部を断面にした部分側面図である。

図において、１０１は反射鏡であり、その反射
鏡面１０２はF₁，F₂を焦点とする楕円をF₁F₂を
通る軸上に回転させた回転楕円面である。また反
射鏡１０１は、装置に固定された固定反射鏡部１
０３と開閉可能な開閉反射鏡部１０４からなつて
いる。１０５は反射鏡面１０２の一方の焦点F₁
におかれた熱光源ランプであり、通常はハロゲン
ランプが用いられるが、高加熱温度が要求される
場合はキセノンランプがよく使用されている。

１０６は上側試料、１０７は下側試料であり、
これらの試料１０６，１０７の端面は反射鏡面１
０２の他の一方の焦点F₂の近傍に配置され、熱
光源ランプ１０５から出た光は焦点F₂上に集光
され、試料１０６，１０７を加熱熔融域１０８
（メルテイングゾーン）により結合する。

また、１０９は炉心管であり、反射鏡面１０２
を試料１０６，１０７から遮閉し、試料から発生
するガスが反射鏡面に到達して付着し、反射効率
が低下するのを防ぐ他、炉心管内に任意の雰囲気
ガスを流通させまたは充填し試料のまわりを所定
圧力の雰囲気ガスで満たすことを目的として設置
されており、石英のような耐熱性ガラスで作られ
ている。炉心管１０９は、上下の炉心管取付リン
グ１１０，１１１と０リングホルダ１１２，１１
３及び０リング１１４，１１５によつてそれぞれ
上シヤフト軸受１１６及び下シヤフト軸受１１７
に固定されている。

一方、上側試料１０６は上試料ホルダ１１８を
介して上シヤフト１１９に、また下側試料１０７
は下側試料ホルダ１２０を介して下シヤフト１２
１に、それぞれ固定されている。

上シヤフト１１９は、上シヤフト軸受１１６、
上シヤフトホルダ１２２及び上スラフトストツパ
１２３により回転自由に固定され、上シヤフトホ
ルダ１２２に固定されたモータ１２４からのベル
ト駆動により回転する。また下シヤフト１２１
は、下シヤフト軸受１１７、下シヤフトホルダ１
２５及び下スラストストツパ１２６によつて回転
自由に固定され、下シヤフトホルダ１２５に固定
されたモータ１２７からのベルト駆動により回転
する。

上下シヤフトを回転駆動するためのプーリ１２
８，１２９は、上下シヤフトホルダ１２２，１２
５に回転自由に結合されており、上下シヤフトと
プーリ１２８，１２９はビス止めやピンなどの手
段でトルクが伝達されるように結合され、しかも
上下シヤフトとプーリー１２８，１２９とは着脱
が可能な構造となつている。

また反射鏡１０１はメインフレーム１３０に固
定され、上下シヤフト軸受１１６，１１７及び下
シヤフトホルダ１２５は移動フレーム１３１に固
定され移動フレーム１３１はメインフレーム１３
０に固定された試料送り機構１３２の送りねじ１
３３により上下に移動できる。すなわち、試料と
反射鏡の相対位置は、試料送り機構１３２で移動
できる。更に移動フレーム１３１に固定されたシ
ヤフト調整機構１３３の送りねじ１３４により上
シヤフトホルダ１２２が移動フレーム１３１に対
して上下に移動することで、上シヤフトと下シヤ
フトの上下相対位置の調整ができる。

こうした従来構造において単結晶の製造を行う
場合には、下側試料１０７として種結晶となすべ
き結晶を用い、上側試料１０６には種結晶と同材
質のこれから成長させようとする結晶の焼結素材
棒や多結晶素材棒を用い、試料送り機構、シヤフ
ト調整機構を調整して上下試料の相対する端面を
反射鏡の焦点F₂の近傍に設定し、熱光源ランプ
を点灯して上下試料を加熱熔融させ、上下試料の
間を熔融域１０８により結合し、試料送り機構１
３２により上下試料を除々に下方に動かすことに
より熔融域を除々に移動させ、所望の単結晶を成
長させる。

なお、この場合、試料のまわりには各試料に適
した雰囲気ガス（例えばO₂、N₂、Ar、Heなど）
で覆うことが望ましいが、これは雰囲気ガスを下
シヤフト軸受をあけた雰囲気ガス注入口１３５か
ら注入し、上シヤフト軸受におけた雰囲気ガス排
出口１３６から排出し、炉心管１０９の中を一定
の雰囲気ガスの流れで満たすことにより実現でき
るようになつている。

また試料によつては加熱時にガスを発生するも
のもあるが、炉心管の内部は０リング１１４，１
１５，１３７，１３８でシールされている。発生
ガスが反射鏡の面に達して冷却されて付着するな
どして反射鏡の反射率を低下させることはなく、
炉心管が発生ガスの付着で曇ることがあつても１
回の実験毎に炉心管の交換を行なえば加熱効率の
低下も小さく実用上殆ど問題とならない。発生ガ
スが有害な場合も勿論あるが、雰囲気ガス出口か
ら出たガスをトラツプなどの有害ガス処理手段を
通すことにより作業者の健康に悪影響を与えるこ
とはないようになつている。

更に発生ガスの量を減らすために炉心管内の雰
囲気ガスの圧力を数気圧にすることも考えられる
が、この場合も雰囲気ガス出入口に接続するバル
ブ（図示せず）を閉じることにより、高圧の雰囲
気ガスを炉心管内に封入することが可能である。

このように炉心管の果す役割は大きいが、この
着脱には従来問題が多かつた。次に従来装置にお
ける炉心管の着脱方法と着脱に伴う諸問題につい
て述べる。

第２図は、第１図に示した従来の輻射線加熱装
置における炉心管の着脱操作を示す輻射線加熱装
置主要部の断面図である。図からも判るように、
炉心管の着脱の際にはまず開閉反射鏡１０４を開
き、次に上側試料１０６を伴つた上シヤフト１１
９及び下側試料１０７を伴つた下シヤフト１２１
をそれぞれ装置の上及び下方向に引き抜くことに
よつて装置から取外し、しかる後炉心管取付リン
グ１１０，１１１、０リングホルダ１１２，１１
３及び０リング１１４，１１５をつけたままの炉
心管を上シヤフト軸受１１６に斜めに挿入するよ
うにして装着しまたは取外しを行う。

従来の輻射線加熱装置ではこのような操作をす
る構造になつていたので、試料を取付けたままの
シヤフトを上下に引抜くため装置の上方及び下方
にシヤフトと試料を含めた長さ以上の空間を確保
しておく必要があつた。従つて、装置の高さは第
１図の上シヤフトから下シヤフトまでの全長S₁の
倍以上にする必要があり、装置の高さは非常に大
きくなつていた。例えば従来の単楕円型の輻射線
加熱装置では、下シヤフト下端から下側試料上端
までの長さは約400mmであるので装置下側に約400
mmの高さの空間が必要であり、上シヤフトの上端
から上側装置の下までの長さは約550mmであるの
で装置上側には約550mmの高さの空間が必要にな
り、合わせて約950mmの高さが余分に必要となつ
ていた。

また、上下シヤフトの着脱の際には、プーリー
と上下シヤフトとの結合の解除やスラストストツ
パの取外しなど面倒な作業が必要で、上下方向に
シヤフトを引き抜く作業も含め、これらの作業は
装置上方および下方での無理な姿勢での作業を余
儀なくされ、非常にやつかいであつた。例えば第
１図の例では上のプーリー１２８の位置は床上
1650mmであり、下のプーリー１２９の位置は床上
450mmである。

更に従来の装置における炉心管の着脱はあらか
じめ炉心管に炉心管リング１１０，１１１などの
邪魔なのを取り付けておかねばならず、また炉心
管取付けリングのねじによつて上下シヤフト軸受
に炉心管を固定する作業はねじ結合のため作業性
が悪かつた。

このように従来の輻射線加熱装置では装置の高
さが大きく、炉心管の着脱作業が非常に繁雑で、
無理な作業姿勢を余儀なくされるなどの欠点があ
つた。本発明はこれらの欠点を除去するために、
炉心管が反射鏡の内部に挾持し得る構造にしたも
のである。以下図面に従つて詳細に説明する。

第３図は本発明の一実施例を示す単楕円型の輻
射線加熱装置の主要部を断面にした側面図であ
る。図において２０１が反射鏡であり、その反射
鏡面２０２は焦点F₁′，F₂′をもつ回転楕円面であ
る。また反射鏡２０１は、固定反射鏡部２０３と
開閉可能な開閉反射鏡部２０４からなつている。
２０５は反射鏡面２０２の一方の焦点F₁′におか
れた熱光源ランプである。２０６は上側試料、２
０７は下側試料であり、２０８は熔融域（メルテ
イングゾーン）である。

また２０９は炉心管であり、石英のような耐熱
性ガラスでできたガラス管２１０とその両端にか
ぶせたシリコンゴムのような耐熱性の弾性体でで
きたキヤツプ２１１から構成されている。炉心管
２０９は、圧縮コイルバネ２１２の押圧力によ
り、炉心管ホルダー２１３にて反射鏡内に押圧挾
持固定されている。炉心管ホルダー２１３はレバ
ー２１４を操作することで反射鏡内を上下に運動
できる。

一方、上側試料２０６は、上試料ホルダー２１
５を介して上シヤフト２１６に固定され、上シヤ
フト２１６は上シヤフト軸受２１７で回転自由に
固定されモータ２１８で回転駆動される。また下
側試料２０７は、下側試料ホルダー２１９を介し
て下シヤフト２２０に固定され、下シヤフト２２
０は下シヤフト軸受２２１で回転自由に固定され
てモータ２２２で回転駆動される。

更に、反射鏡２０１、上シヤフト軸受２１７お
よび下シヤフト軸受２２１は、装置フレーム２２
３に固定された反射鏡送り機構２２４、上シヤフ
ト送り機構２２５、下シヤフト機構２２６のそれ
ぞれの送りねじによりそれぞれ独立に上下方向に
移動できる。

また反射鏡２０１の内側２２７は０リング２２
８，２２９，２３０，２３１，２３２でシールさ
れ、外気との気密が保たれている。また反射鏡の
内側２２７での炉心管２０９の内外は炉心管のキ
ヤツプ２１１でシールされており、試料等から発
生するガスによつて反射鏡面が汚染されるのを防
いでいる。更に反射鏡２０１には、炉心管２０９
の内部に通じる雰囲気ガス注入口２３３および排
出口２３４が設けられ、試料周辺を所定の雰囲気
ガスで覆うことができる。ここで炉心管のキヤツ
プ２１１におけるシールは完全気密でなくとも試
料から発生するガスが反射鏡面２０２に到達する
のを防げればよい。

第４図は第３図の実施例における炉心管の着脱
操作を示した一部断面の側面図であり、以下第３
図の実施例における炉心管の着脱を第４図に従つ
て説明する。

炉心管を取り付ける場合は、第４図に示す如く
まず開閉反射鏡２０４を開き、この時できる反射
鏡の開口窓２３６を通して上側試料２０６、下側
試料２０７を上シヤフト２１６および下シヤフト
２２０にそれぞれ装着し、その後上シヤフト２１
６および下シヤフト２２０をそれぞれの送り機構
２２５，２２６により上下に移動させ、上側試料
および下側試料を炉心管の挿入される空間の外側
に位置させる。次に炉心管ホルダ２１３をレバー
２１４より持ちあげて炉心管を開口窓２３６から
反射鏡内に挿入し第１図のように圧縮コイルバネ
２１２の押圧力により炉心管２０９を炉心管ホル
ダ２１３で挾持する。このため炉心管の長さは反
射鏡開口部２３６より小さくしてある。次に上側
試料２０６および下側試料２０７の位置を、それ
ぞれの対向する端面が焦点F₂′の近傍にくるよう
に送り機構２２５，２２６で調整し開閉反射鏡２
０４を閉じれば、試料熔融の準備が完了する。こ
の状態で熱光源ランプ２０５を点灯し試料を加熱
すれば、第３図のように上下試料が加熱熔融され
た熔融域２０８で結合される。

フローテイングゾーン法による単結晶の製造を
行う場合には、下側試料２０７として種結晶を用
い、上側試料２０６に同材質の焼結素材棒を用い
て、反射鏡送り機構２２４で反射鏡２０１を除々
に上方に移動させ、結果として熔融域２０８を
除々に上方に移動させるようにして種結晶上に結
晶を成長させる。

結晶成長の終了時には、上側試料の位置を上方
に引き上げて熔融域部で上側試料と下側試料とを
分離し、冷却するのを持つて開閉反射鏡を開き、
装着時とは逆の要領で炉心管および試料を取り外
す。

本発明ではこのような構造になつているため、
上シヤフトおよび下シヤフトは炉心管が装着され
る空間をあけるだけの移動量を持てば良く、上シ
ヤフトと下シヤフトの移動量の和は炉心管の長さ
Ｌに装着代と若干の余裕を加えた値で済む。

従つて装置の高さは、第３図の上シヤフトから
下シヤフトまでの全長S₂に炉心管の長さＬと若干
の装着代α₁と余裕α₂を加えた高さH₂＝S₂＋Ｌ＋
α₁＋α₂で済み、従来の場合に比べ格段に低くでき
る。例えば炉心管の高さを160mmとしたときに従
来装置に比べて750mm程度は高さを低くできる。

更に上下シヤフトの移動操作は全て装置正面の
スイツチ（図示せず）ででき、試料の着脱および
炉心管の着脱も全てが開かれた反射鏡の開口窓か
ら行うことができるため、試料及び炉心管の着脱
に伴う作業は全て装置正面の作業性のよい高さで
行うことができ、従来のように低い位置や高い位
置での無理な作業姿勢をとる必要がない。

更に炉心管の固定作業は、炉心管ホルダのレバ
ーのあげおろしだけであるから従来のねじ締めに
よる炉心管固定作業に比べ非常に簡単であり、作
業性がよい。

以上述べたように、本発明を実施することによ
り、装置高さを著るしく低くでき、しかも炉心管
の着脱操作が簡単になる上に着脱の全操作が装置
正面の作業姿勢の良い場所で行なえるため、作業
性が著るしく向上するまでの利点を生ずる。

なおここでは単楕円型の輻射線加熱装置につい
て説明したが、本発明は双楕円型および多楕円型
の輻射線加熱装置についても勿論適用できる。

第５図は本発明を双楕円型輻射線加熱装置につ
いて実施した場合の同装置の反射鏡の周辺を示す
断面図であり、３０１は反射鏡、３０２はF₁″，
F₂″を焦点とする回転楕円体で形成される反射鏡
面、３０３はF₂″，F₃″を焦点とする回転楕円体で
形成される反射鏡面、３０４は固定反射鏡、３０
５は開閉可能な開閉反射鏡、３０６は上側試料、
３０７は下側試料、３０８は熔融域、３０９は炉
心管、３１０は炉心管ホルダ、３１１は上シヤフ
ト、３１２は下シヤフト、３１３，３１４は熱光
源ランプであり、これらの機能および動作は全て
第３図の実施例と同じである。

なお実施例の説明中で述べた熱光源ランプ２０
５，３１３，３１４は、ハロゲンランプ、キセノ
ンランプ、水銀ランプ、タングステンランプな
ど、熱輻射線を発生するものであれば良い。

更に以上の説明では輻射線加熱装置をフローテ
イングゾーン方式の結晶成長に適用した場合につ
いて説明したが、本発明を実施した輻射線加熱装
置はフローテイングゾーン法以外の結晶成長（例
えばエピタキシヤル成長など）にも使用できるし
試料の熔解、試料の加熱などにも勿論使用でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は単楕円型の輻射線加熱装置の従来例の
主要部を断面にした部分側面図で、第２図は第１
図の従来例における炉心管の着脱操作を示す主要
部を断面にした部分側面図、第３図は本発明の１
実施例を示す単楕円型の輻射線加熱装置の主要部
を断面にした側面図で、第４図は第３図の実施例
における炉心管の着脱操作を示した一部を断面に
した側面図であり、第５図は本発明の他の１実施
例を示す双楕円型輻射線加熱装置の主要部の断面
図である。 図において、１０１，２０１，３０１は反射
鏡、２０２，３０２は回転楕円反射鏡面、１０
４，２０４，３０５は開閉反射鏡、１０５，２０
５，３１３，３１４は熱光源、１０６，２０６，
３０６は上側試料、１０７，２０７，３０７は下
側試料、１０８，２０８，３０８は熔融域、１０
９，２０９，３０９は炉心管、２１３，３１０は
炉心管ホルダ、２１６，３１１は上シヤフト、２
２０，３１２は下シヤフト、２２３はメインフレ
ーム、２２４は反射鏡送り機構、２２５は上シヤ
フト送り機構、２２６は下シヤフト送り機構、で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ １個または複数個の回転楕円面からなる反射
   鏡の一方の焦点に熱光源ランプを配し、他の一方
   の焦点に配した試料にも光を集中して加熱する輻
   射線加熱装置において、開閉可能な反射鏡を開い
   た時に生ずる反射鏡の開口窓から挿入できる大き
   さの炉心管が炉心管ホルダによつて反射鏡内にシ
   ヤフトの軸方向に押圧挟持され、更に試料を装着
   した上シヤフト及び下シヤフトが試料を装着した
   まま上と下の試料位置が炉心管の装着されるべき
   空間から外れた高さになるように移動可能な送り
   機構を有する、ことを特徴とする輻射線加熱装
   置。