[发明专利]浮区熔化装置

说明书

技术领域

本发明涉及通过在旋转椭圆面反射镜的一个焦点上设置红外灯、使从旋转 椭圆面反射镜的反射面反射的红外线在另一个焦点上聚焦来将样品加热并熔 化、以生长单晶等时使用的红外线集中加热式的浮区熔化装置。

背景技术

红外线集中加热式的浮区熔化装置具有：(i)可在不使用坩埚情况下进行 样品的熔化、(ii)可任意选择气氛气体、(iii)可利用浮区法来进行各种组成 的单晶生长、(iv)可根据浮区慢冷却法来进行相平衡研究、(v)能以较少的电 力容易地得到高温等优点，为了进行单晶的生长和相平衡的研究等而被广泛使 用。

为了将浮区熔化装置用于单晶的生长，就要满足：能在样品的熔化部得到 高温；以样品的棒轴为中心的周向上的温度均匀；垂直方向(样品的棒轴向)的 温度分布陡峭、局部加热容易、能将熔化液容易地保持在样品棒上等条件。以 往，为了满足这样的条件，开发了各种形式的红外线集中加热式的浮区熔化装 置。

图6(a)是说明使用单椭圆镜炉的以往的红外线集中加热式的浮区熔化装 置的图，表示在单椭圆镜炉11内加热圆棒状的样品棒4a的状态。该浮区熔化 装置使用一个椭圆镜2，在其两个部位的焦点位置中的一个焦点位置上设置有 卤素灯、氙灯等红外灯3。此处，椭圆镜2是金属镜。从一个焦点位置发出的 来自红外灯3的红外线在椭圆镜2上反射并被聚焦在另一个焦点位置上。在该 红外线聚焦的焦点位置上，样品棒4a被加热，形成熔化体。通过使样品棒4a 和红外灯3沿轴向慢慢相对移动，使生长结晶4b以棒状生长。

在该使用单椭圆镜炉11的方式下，红外灯3的光的利用效率最高。然而， 在该方式下，样品棒4a的与红外灯3相反的一侧的区域的温度很难上升，红 外灯3侧的区域5的温度相对变高，如图6(b)所示(符号7表示等温线，符号 8表示从样品棒4a的中心轴离开的等距线)，样品棒4a的熔化部在水平面上的 以棒轴为中心的周向上产生温度分布。

为了改善该温度分布的偏倚，开发了图7(a)所示的使用双椭圆镜炉21的 装置。在该浮区熔化装置中，将椭圆的一部分被切断的一对椭圆镜2以一个焦 点位置相同的形态沿横向配置在直线上，利用配置在这些椭圆镜2的另一个焦 点位置上的一对红外灯3从两侧对样品棒4a进行加热。

在该使用双椭圆镜炉21的方式下，由于能从横向的两侧加热样品棒4a， 因此与单椭圆镜炉相比，可改善周向温度分布。然而，在样品棒4a的周向上 会像图7(b)那样产生温度分布，与设置有一对灯3的方向相比，其垂直方向的 温度变低。

虽然周向上实际会产生多少温差还取决于所使用的红外灯3的灯丝的大 小、形状等，但在通常的使用方法中，单椭圆炉、双椭圆炉都会产生100℃左 右、或者超过100℃的温差。作为减小该温差的措施，通过使用与聚焦区域的 大小相比灯丝尺寸较大的灯能一定程度地减小温差，但在欲采用这样的聚焦方 式、利用浮区熔化法进行单晶生长时，垂直方向的温度梯度会变得平缓，形成 的熔化体会滴落。因此，特别是为了通过浮区熔化法来进行单晶生长时，就不 仅要使周向的温度梯度变得均匀，同时还要使垂直方向的温度梯度保持陡峭。

图8表示单椭圆炉和双椭圆炉中熔化部的周向温度分布的一例。如这个例 子也有表示，最高温度部与最低温度部的温差可达最高温度值的10％。产生这 种温度分布的条件对于使高质量的单晶生长而言当然是不理想的。

为了进一步改善该温度分布的偏倚，开发了四椭圆镜型的装置，在双椭圆 镜炉的基础上进一步追加两个椭圆镜，将彼此共有一个焦点位置的四个椭圆镜 配置在正交轴上，以能从四面加热样品棒(专利文献1)。

专利文献1：日本专利特开平9-235171号公报

发明的公开

发明所要解决的技术问题

通过该使用四个椭圆镜而从四面加热样品棒的方式，周向的温度分布 可大幅度改善。但是，在单晶的生长中，除了周向温度分布均匀以外，如 上所述，还要满足其垂直方向的温度梯度陡峭、最高到达温度足够高，虽 然以往的四椭圆镜型的装置能提高最高到达温度，但垂直方向的温度梯度 会变得平缓，因此熔化液容易滴落，存在很难稳定地保持熔化带的缺点， 未能得到满足上述所有条件的方式。