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JP2001192290A - Device for growing single crystal - Google Patents

Device for growing single crystal

Info

Publication number
JP2001192290A
JP2001192290A JP2000005852A JP2000005852A JP2001192290A JP 2001192290 A JP2001192290 A JP 2001192290A JP 2000005852 A JP2000005852 A JP 2000005852A JP 2000005852 A JP2000005852 A JP 2000005852A JP 2001192290 A JP2001192290 A JP 2001192290A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
single crystal
power density
eccentricity
axial direction
distribution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000005852A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Nishimura
博 西村
Satoshi Kono
智 河野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Machinery Inc
Original Assignee
NEC Machinery Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Machinery Corp filed Critical NEC Machinery Corp
Priority to JP2000005852A priority Critical patent/JP2001192290A/en
Publication of JP2001192290A publication Critical patent/JP2001192290A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To uniformize the distribution of electric power density in the circumferential direction of a melt zone and to obtain a steep curve in the distribution of the electric power density in the axial direction by making the width of a flat part of a peak narrow and increasing the height of the flat part, in a device for growing a single crystal by a FZ method. SOLUTION: Four spheroidal mirrors 5b having an eccentricity (e) of >0.65 and <0.80 are arranged in counter positions on the orthogonal axes. Thereby, the uniform distribution of electric power density in the circumferential direction of the melt zone can be obtained, and in the distribution of the electric power density in the axial direction, the capture rate of the light of a halogen lamp 7 is increased and the value of a peak becomes high and the width of flat part of the peak becomes narrow. Accordingly, the steep curve is obtained. At the same time, as the eccentricity of the spheroidal mirrors 5b is higher than that of the conventional device, it becomes possible to suppress the height of the device to be lower than that of the conventional device.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、集中加熱式でフロ
ーティング・ゾーン法により、高融点材料の単結晶を育
成する単結晶育成装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single crystal growing apparatus for growing a single crystal of a high melting point material by a central heating type floating zone method.

【0002】[0002]

【従来の技術】フローティング・ゾーン法(以降FZ法
と呼ぶ)の単結晶育成装置は、原料棒を一端で鉛直に保
持し、その原料棒と種結晶の接合部を加熱溶融して溶融
帯(フローティング・ゾーン)を作り、順次原料棒を溶
融凝固させることにより単結晶化するものである。その
特徴は、他の単結晶育成法であるブリッジマン法やチョ
クラルスキー法のいわゆるルツボ中での育成方法と比較
すると、大口径の単結晶の育成には不向きなものの、る
つぼからの不純物混入を回避でき、高純度の単結晶を得
ることができるという利点を有する。
2. Description of the Related Art A single crystal growing apparatus of the floating zone method (hereinafter referred to as FZ method) holds a raw material rod vertically at one end, and heats and melts a joint between the raw material rod and a seed crystal to form a molten zone ( A floating zone is formed, and the raw material rods are melted and solidified one by one to form a single crystal. Compared to other single crystal growth methods such as the Bridgman method and the Czochralski method in a so-called crucible, the method is not suitable for growing large-diameter single crystals, but impurities are mixed from the crucible. Can be avoided, and a high-purity single crystal can be obtained.

【0003】その加熱源には、高周波加熱やランプ加熱
等が用いられる。また、ランプ加熱によるものには、そ
れらランプを回転楕円面鏡の中に置き、それらから発せ
られた光を回転楕円面鏡で集光させて、溶融帯を作って
いる。
As the heating source, high-frequency heating, lamp heating or the like is used. In the case of lamp heating, these lamps are placed in a spheroidal mirror, and light emitted from the lamps is condensed by the spheroidal mirror to form a molten zone.

【0004】回転楕円面鏡が一つの形態である回転単楕
円面鏡や、二つの形態である回転双楕円面鏡がよく用い
られている。ここで、図5に示す双楕円面鏡による単結
晶育成装置を用いて、その概要を説明する。図5は正面
図であり、一部断面で表わしている。
A spheroidal mirror having one form of a spheroidal mirror and a spheroidal mirror having two forms are often used. Here, the outline will be described using a single crystal growing apparatus using a bi-ellipsoidal mirror shown in FIG. FIG. 5 is a front view, partially shown in section.

【0005】透明石英管1は、上下両側を各々支持フラ
ンジ2a,2bで気密シールされ、両支持フランジは架
台3に固定されている。また、透明石英管1の周りには
回転双楕円面鏡5が架台3に固定され、回転双楕円面鏡
5の中、その一方の焦点にはハロゲンランプ7,7が配
置されて、ハロゲンランプ7,7から発された光が回転
双楕円面鏡5にて反射し、他方の共通焦点に置かれた被
加熱物に集光する。原料棒8は上主軸9に吊り下げら
れ、結晶棒10は下主軸11に固定される。また上主軸
9は架台3に固定された主軸シールフランジ12aを貫
通し、一方下主軸11も架台3に固定された主軸シール
フランジ12bを貫通し、それぞれ内蔵されたOリング
13を介して試料室15は外気と気密が保たれている。
また、図示はしないが、上主軸9と下主軸11はそれぞ
れ回転及び上下動が可能な機構部につながっていて、両
主軸は回転及び上下動が可能である。
The transparent quartz tube 1 is hermetically sealed on both upper and lower sides with support flanges 2a and 2b, respectively, and both support flanges are fixed to a gantry 3. A rotating bi-ellipsoidal mirror 5 is fixed to the gantry 3 around the transparent quartz tube 1, and halogen lamps 7 and 7 are disposed at one focal point of the rotating bi-ellipsoidal mirror 5, and a halogen lamp Light emitted from 7, 7 is reflected by the rotating ellipsoidal mirror 5 and condensed on the object to be heated placed at the other common focal point. The raw material rod 8 is hung on the upper main shaft 9, and the crystal rod 10 is fixed to the lower main shaft 11. The upper spindle 9 penetrates the main shaft seal flange 12a fixed to the gantry 3, while the lower main spindle 11 also penetrates the main shaft seal flange 12b fixed to the gantry 3. 15 is kept airtight with the outside air.
Although not shown, the upper main shaft 9 and the lower main shaft 11 are connected to a mechanism that can rotate and move up and down, respectively, and both main shafts can rotate and move up and down.

【0006】さらに、石英管1の支持フランジ2aには
バルブV1,V2が、また支持フランジ2bにはバルブ
V3が接続される。ここで、各バルブは、V1が排気系
統,V2がガスフロー系統、それにV3はガス供給系統
に接続される。
Further, valves V1 and V2 are connected to the support flange 2a of the quartz tube 1, and a valve V3 is connected to the support flange 2b. Here, V1 is connected to an exhaust system, V2 is connected to a gas flow system, and V3 is connected to a gas supply system.

【0007】以下に、単結晶を育成する作業手順の一例
を紹介する。V2,V3を閉じた状態でV1を開け、試
料室15内を真空排気し、空気中の酸素や活性ガスを一
旦取り除いた後、V1を閉じる。次に、V3を開いて不
活性ガス等所定のガスを試料室15に導入すると同時
に、V2を開いてガスフローを行なう。V2及びV3の
開閉度でもって、試料室15のガス圧力またはガスの流
量を所定の値に調整する。その後、ハロゲンランプ7,
7を点灯し、原料棒8に回転を与えながら原料棒8の先
端を加熱する。先端部が溶けたら、原料棒8と結晶棒1
0とを接近させて、両者を接合し、溶融帯を形成する。
引き続き、この状態で原料棒8と結晶棒10をゆっくり
と引き下げていくと、単結晶が形成される。
Hereinafter, an example of an operation procedure for growing a single crystal will be introduced. While V2 and V3 are closed, V1 is opened, the inside of the sample chamber 15 is evacuated, and oxygen and active gas in the air are once removed, and then V1 is closed. Next, V3 is opened to introduce a predetermined gas such as an inert gas into the sample chamber 15, and at the same time, V2 is opened to perform a gas flow. The gas pressure or the gas flow rate in the sample chamber 15 is adjusted to a predetermined value according to the degree of opening and closing of V2 and V3. Then, the halogen lamp 7,
7, the tip of the raw material rod 8 is heated while rotating the raw material rod 8. When the tip melts, the raw material rod 8 and crystal rod 1
0 is approached, and the two are joined to form a molten zone.
Subsequently, when the raw material rod 8 and the crystal rod 10 are slowly pulled down in this state, a single crystal is formed.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
単結晶育成装置には以下のような問題があった。それ
は、溶融帯に集光する光エネルギーの電力密度分布に関
することである。それについて、溶融帯部分の拡大図で
ある図6を参考にして説明する。この電力密度を云々す
る場合、直径φd(φdは、原料棒8の直径相当)の周
囲に集光する電力を、円周方向と軸方向(原料棒8の軸
方向)とに分けて考える方法がある。ここでは、各々の
方向において成分を等分割し、その分割した細かなメッ
シュ部分に集光する電力密度をシミュレーションで求
め、それらをつなぎ合わせて、円周方向と軸方向の電力
密度分布(カーブ)を求めている。円周方向は、合焦位
置を中心に、上下1mm幅のφd全周を16分割した各
部分に集光する光エネルギーをそれぞれ求めている。ま
た、軸方向は、上下方向幅1mm単位に輪切りにした、
周囲に集光する光エネルギーをそれぞれ求めている。
However, the conventional single crystal growing apparatus has the following problems. It concerns the power density distribution of the light energy focused on the melting zone. This will be described with reference to FIG. 6 which is an enlarged view of the fusion zone. When the power density is referred to, a method of considering the power collected around the diameter φd (φd is equivalent to the diameter of the raw material rod 8) in a circumferential direction and an axial direction (axial direction of the raw material rod 8). There is. Here, the components are equally divided in each direction, the power densities condensed on the divided fine mesh portions are obtained by simulation, and these are connected to form a power density distribution (curve) in the circumferential direction and the axial direction. Seeking. In the circumferential direction, the light energy to be condensed on each part obtained by dividing the entire circumference of φd having a width of 1 mm in the vertical direction from the focus position to the center is obtained. In addition, the axial direction was sliced in units of 1 mm in the vertical direction,
We are looking for the light energy to be focused around.

【0009】このシミュレーションで得られた、現在最
もよく用いられている回転双楕円面鏡の電力密度分布
を、図7に示す。ここで、ランプに関しては、最も一般
的な円筒フィラメントから成る、出力1500Wのハロ
ゲンランプとし、また、試料径(原料棒の直径相当)は
φ4mmとして、シミュレーションをしている。その結
果、円周方向に関しては、ランプの配置を図中に描いて
いるが、ランプが配置された方向にピーク値があり、そ
の2方向が突き出た楕円の態様を示している。一方軸方
向に関しては、溶融帯の位置と照合しやすいように、グ
ラフの右横に、試料の正面図を対比させて描いている。
それによると、合焦位置を中心に、ピーク部分のフラッ
トな幅が約4mmで、その上下両側が急峻に落ち込むカ
ーブとなっている。
FIG. 7 shows the power density distribution of the currently used spheroid mirror, which is most frequently used, obtained by this simulation. Here, the simulation is performed on the assumption that the lamp is a halogen lamp having an output of 1500 W made of the most common cylindrical filament, and the sample diameter (corresponding to the diameter of the raw material rod) is 4 mm. As a result, with respect to the circumferential direction, the arrangement of the lamps is depicted in the drawing, but there is a peak value in the direction in which the lamps are arranged, and the two directions show an elliptical shape protruding. On the other hand, in the axial direction, the front view of the sample is depicted on the right side of the graph in comparison with the front view of the sample so that it can be easily compared with the position of the molten zone.
According to this, the flat width of the peak portion is about 4 mm centering on the in-focus position, and the upper and lower sides have a sharply falling curve.

【0010】単結晶を育成するに際しては、溶融帯を形
成し、溶融温度以上の適当な温度で、原料棒と結晶棒を
回転(一般的には、20〜30rpmの逆回転)させる
ことにより結晶育成をしてきたが、得られる結晶の品質
を考慮すると、前述した回転双楕円面鏡のシミュレーシ
ョンデータのような、円周方向の電力密度の不均一さ
は、改善の余地を残していた。即ち、更に単結晶の品質
を向上させるためには、円周方向の電力密度分布を極力
均一(円に近い形状)にする必要があった。
In growing a single crystal, a molten zone is formed, and the raw material rod and the crystal rod are rotated at an appropriate temperature equal to or higher than the melting temperature (generally, reverse rotation of 20 to 30 rpm). Although the crystal has been grown, the nonuniformity of the power density in the circumferential direction as in the above-described simulation data of the rotating ellipsoidal mirror leaves room for improvement in consideration of the quality of the obtained crystal. That is, in order to further improve the quality of the single crystal, it is necessary to make the power density distribution in the circumferential direction as uniform as possible (a shape close to a circle).

【0011】同時に、軸方向の電力密度分布を見た場
合、ピーク部分のフラットな幅は、溶融帯の形成及びそ
の安定維持に係わる。これは図6で言うと、原料棒の直
径φdに対して溶融帯の長さhが長くなってしまうと、
溶融帯が自重に耐え切れなくなって、周囲に垂れ落ちて
しまうためである。(この様子を、図8に示す。) この観点から、h寸法とd寸法の比率については、一般
的に次のように考えられている。まず、h/dを1.3
以下に収めることが望ましい。これが1.8を超えてし
まうと、溶融帯の形成は不可能に近くなる。なお、1.
3〜1.8の間の比率については、極力避けるべき範囲
の領域である。
At the same time, when looking at the power density distribution in the axial direction, the flat width of the peak portion relates to the formation of the molten zone and its stable maintenance. According to FIG. 6, when the length h of the molten zone becomes longer than the diameter φd of the raw material rod,
This is because the molten zone cannot withstand its own weight and drips around. (This situation is shown in FIG. 8.) From this viewpoint, the ratio between the h dimension and the d dimension is generally considered as follows. First, h / d is set to 1.3.
It is desirable to keep it below. If this exceeds 1.8, the formation of a molten zone becomes almost impossible. In addition, 1.
The ratio between 3 and 1.8 is an area that should be avoided as much as possible.

【0012】別な問題として次の事柄があった。原料棒
には焼結材が用いられ、それには細孔が多く、幅広く原
料棒を加熱すると、毛細管現象が促進され、融液がその
細孔を通って逆に原料棒側にしみ込んでしまい、安定し
たFZを形成・維持できなくなる。それを防ぐために、
軸方向の加熱領域を固液界面内に止めることが必要とな
る。このために、軸方向の電力密度カーブにおいて、ピ
ーク部分のフラットな幅を狭くして、なおかつカーブを
急峻なものにしなければならない。
Another problem is as follows. Sintered material is used for the raw material rod, which has many pores, and when the raw material rod is heated widely, the capillary phenomenon is promoted, and the melt penetrates into the raw material rod side through the fine holes, A stable FZ cannot be formed and maintained. To prevent that,
It is necessary to keep the axial heating area within the solid-liquid interface. For this reason, in the power density curve in the axial direction, the flat width of the peak portion must be narrowed and the curve must be steep.

【0013】以上、円周方向並びに軸方向の電力密度分
布に関して、再度図7を見ながら回転双楕円面鏡のシミ
ュレーション結果をまとめてみる。まず軸方向について
は、ピーク部分のフラットな幅が4mmであり、それ
は、h/dを1.3以下とする理想的な溶融帯長さの上
限値h=5.2mmよりも小さく、かつ電力密度カーブ
も急峻であることから、問題はないと言える。ところが
円周方向については、電力密度分布に均一さを欠いてお
り、改善の余地がある。
As described above, with respect to the power density distributions in the circumferential direction and the axial direction, the simulation results of the rotating ellipsoidal mirror will be summarized while referring to FIG. 7 again. First, in the axial direction, the flat width of the peak portion is 4 mm, which is smaller than the upper limit value h = 5.2 mm of the ideal melting zone length where h / d is 1.3 or less, and the electric power. Since the density curve is also steep, it can be said that there is no problem. However, in the circumferential direction, the power density distribution lacks uniformity, and there is room for improvement.

【0014】そこで、その解決手段の一つに、回転4楕
円面鏡を用いた単結晶育成装置が上げられている。図9
に示すものは、その単結晶育成装置において、回転楕円
面鏡5aの内部の要部を描いた平面図と正面図である。
この装置は、離芯率eが約0.44の回転楕円面鏡5a
を直交軸上に4個対向配置したものである。 離芯率e=(a2−b21/2/a であり、ここで、寸
法a=楕円の長軸の長さ、寸法b=楕円の短軸の長さで
ある。なお、この離芯率は、前に図5で説明した回転楕
円面鏡5の離芯率と同等であり、その回転楕円部分は、
所謂おわんのように、その深さがさほど深くなく、一般
的に採用されている形状である。
Therefore, as one of the solutions, a single crystal growing apparatus using a rotating ellipsoidal mirror has been proposed. FIG.
Are a plan view and a front view illustrating main parts inside the spheroid mirror 5a in the single crystal growing apparatus.
This device has a spheroid mirror 5a having an eccentricity e of about 0.44.
Are arranged facing each other on the orthogonal axis. The eccentricity e = (a 2 −b 2 ) 1/2 / a, where dimension a = the length of the major axis of the ellipse, and dimension b = the length of the minor axis of the ellipse. Note that this eccentricity is equivalent to the eccentricity of the spheroid mirror 5 described above with reference to FIG.
As in the so-called bowl, the depth is not so deep, and is a generally adopted shape.

【0015】この装置の電力密度分布をシミュレーショ
ンした結果が、図10に示すグラフである。なお、ラン
プ及び試料径については、先の図7で示した回転双楕円
面鏡の場合と同じ条件である。これを見ると、次のこと
が言える。 (1)円周方向の分布は、回転双楕円面鏡の場合楕円状
であったものが、ランプが配置される方向を頂点とす
る、ほぼ正方形の態様に変わっているが、未だ全周に渡
って均一な円状とは言い難い。 (2)軸方向の分布においては、ピーク部分のフラット
な幅が広く、それは10mmにも及び、h/dを1.3
以下とする一般的に考えられている理想的な溶融帯長さ
の上限値h=5.2mmを大きく超え、更に溶融帯の形
成が不可能な限界の比率であるh/dが1.8の場合の
h=7.2mmをも超えている。
FIG. 10 is a graph showing a result of simulating the power density distribution of this device. The conditions for the lamp and the sample diameter are the same as those for the rotating ellipsoidal mirror shown in FIG. Looking at this, the following can be said. (1) The distribution in the circumferential direction has been changed from an elliptical shape in the case of a rotating bi-ellipsoidal mirror to a substantially square shape having the apex in the direction in which the lamp is arranged, but still has a full circumference. It is hard to say that it is a uniform circular shape. (2) In the distribution in the axial direction, the flat width of the peak portion is wide, which extends to 10 mm, and the h / d is 1.3.
The upper limit h = 5.2 mm, which is generally considered to be the ideal upper limit of the molten zone length, and h / d, which is the limit ratio at which the formation of the molten zone is impossible, is 1.8. H = 7.2 mm in the case of

【0016】従って、より高品質な単結晶を育成するた
めに、円周方向の電力密度分布がより均一であり、軸方
向の電力密度分布においては、ピーク部分のフラットな
幅が狭い装置の開発が望まれた。
Therefore, in order to grow a higher quality single crystal, an apparatus is developed in which the power density distribution in the circumferential direction is more uniform and the flat width of the peak portion in the power density distribution in the axial direction is narrower. Was desired.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】上述した問題点を解決す
るために、本発明の単結晶育成装置は、離芯率eが0.
65<e<0.80の回転楕円面鏡を、直交軸上に4個
対向配置している。このことで、円周方向の電力密度分
布を極力均一にするとともに、軸方向の電力密度分布に
おいては、ピーク部分のフラットな幅を狭く、かつピー
ク値も高くすることができる。また、原料棒との固液界
面、もしくは結晶棒との固液界面の少なくとも一方に界
面近傍を囲う遮蔽物を配置したことも特徴としている。
In order to solve the above-mentioned problems, the single crystal growing apparatus of the present invention has an eccentricity e of 0.
Four spheroidal mirrors satisfying 65 <e <0.80 are arranged facing each other on the orthogonal axis. Thus, the power density distribution in the circumferential direction can be made as uniform as possible, and the flat width of the peak portion can be narrowed and the peak value can be increased in the power density distribution in the axial direction. In addition, a shield surrounding the interface is disposed on at least one of the solid-liquid interface with the raw material rod and the solid-liquid interface with the crystal rod.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下添付図面にしたがって、本発
明に係る単結晶育成装置の好ましい形態について詳述す
る。なお、従来の装置と同じ構成部品については、同一
符号を用いる。図1は、その楕円面鏡の内部の要部を描
いた平面図と正面図である。回転楕円面鏡5bを直交軸
上に4個対向配置していて、それら回転楕円面鏡5bの
離芯率は約0.70であり、従来の装置のものと比較す
ると、短径に比して長径がより大きいものである。回転
楕円面鏡5bを4個組み合わた場合、それぞれが干渉し
て重なり合う部分を切断しなければならないが、本発明
では、この切断される割合が少なくなっている。このこ
とは、図9で示した従来例と比較すると明らかである。
これは、図1と図9の各平面図で、ランプが配置される
位置(片方の焦点)と、隣り合う回転楕円面鏡のエッジ
部とが成す角度αが、αb>αaなる関係として表れて
いる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a single crystal growing apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the same reference numerals are used for the same components as those of the conventional device. FIG. 1 is a plan view and a front view illustrating main parts inside the ellipsoidal mirror. Four spheroidal mirrors 5b are arranged opposite to each other on the orthogonal axis, and the eccentricity of these spheroidal mirrors 5b is about 0.70. With a longer major axis. When four spheroidal mirrors 5b are combined, overlapping portions that interfere with each other must be cut, but in the present invention, the cut ratio is reduced. This is apparent from comparison with the conventional example shown in FIG.
This is represented by the relationship αb> αa in each of the plan views of FIGS. 1 and 9 in which the angle α formed between the position where the lamp is arranged (one focal point) and the edge of the adjacent spheroidal mirror. ing.

【0019】そのため、ランプ7から発せられた光が反
射して集光する機会、言い換えると光の捕捉率が高くな
る。従って、加熱効率が高くなっている。
Therefore, the light emitted from the lamp 7 is reflected and condensed, that is, the light capturing rate is increased. Therefore, the heating efficiency is high.

【0020】図2に、本発明の装置の電力密度分布をシ
ミュレーションした結果を示す。これも、ランプ及び試
料径については、先の図7、図9で示した従来例の場合
と同じ条件である。これから次のことが言える。 (1)円周方向の分布は、前に図9、図10で説明した
離芯率の小さい回転楕円面鏡5aを4個組み合わせた場
合、正方形状であったものが、ほぼ円状となって、均一
に加熱できることがわかる。 (2)一方軸方向の分布においては、同様に前に図9、
図10で説明した回転4楕円面鏡5aの装置と比較する
と、ピーク部分のフラットな幅は狭く、カーブは急峻な
ものとなっており、同時にピーク値は、以前1.75W
/mm2であったものが2.2W/mm2にほぼ達する程
高くなっている。
FIG. 2 shows the result of simulating the power density distribution of the device of the present invention. This also applies to the lamp and the sample diameter under the same conditions as in the case of the conventional example shown in FIGS. From now on, the following can be said. (1) When four spheroidal mirrors 5a having a small eccentricity described above with reference to FIGS. 9 and 10 are combined, the distribution in the circumferential direction is changed from a square shape to a substantially circular shape. It can be seen that heating can be performed uniformly. (2) On the other hand, in the distribution in the axial direction, FIG.
As compared with the device of the rotating four-ellipsoidal mirror 5a described in FIG. 10, the flat width of the peak portion is narrow and the curve is steep, and at the same time, the peak value is 1.75 W before.
/ Mm 2 , which is so high that it almost reaches 2.2 W / mm 2 .

【0021】また、発明者らは、試料径をφ8mmとし
たシミュレーションも行った。図11、12並びに図3
にその結果を示す。図11、12は、従来の離芯率0.
44の回転楕円面鏡を用いた、それぞれ双楕円および4
楕円の構成のものである。また図3は、本発明の離芯率
0.70の回転楕円面鏡を用いた4楕円の構成から成る
ものである。なお、ハロゲンランプについては、これま
でに説明した、試料径がφ4mmの場合と同じものとし
ている。
The inventors also conducted a simulation in which the sample diameter was 8 mm. 11 and 12 and FIG.
Shows the results. FIGS. 11 and 12 show the conventional eccentricity of 0.1.
44 ellipsoids and 4 ellipses, respectively, using 44 spheroidal mirrors
It is of an elliptical configuration. FIG. 3 shows a four-ellipse configuration using a spheroidal mirror having an eccentricity of 0.70 according to the present invention. Note that the halogen lamp is the same as that described above in the case where the sample diameter is φ4 mm.

【0022】この結果から、次のことが分かる。回転双
楕円面鏡の場合、軸方向の電力密度分布は問題ないもの
の、円周方向については楕円の態様を呈しており、均一
さに欠ける。(図11参照) また、離芯率0.44の回転4楕円面鏡からなる場合
は、試料径がφ4mmの場合と比較すると、円周方向の
電力密度分布は、ほぼ円状であり均一な分布であるが、
そのピーク値は高くはない。また、軸方向については、
ピーク部分のフラットな幅が幾分広めである。(図12
参照) これらに対して本発明の、離芯率0.70の回転4楕円
面鏡からなるものは、円周方向の電力密度分布は、ほぼ
円状で均一であり、そのピーク値も2.0W/mm2を
超える高い値を示している。同時に軸方向についても、
ピーク部分のフラットな幅は4mmと十分に狭く、カー
ブも急峻である。(図3参照)
The following can be understood from the results. In the case of a rotating ellipsoid, there is no problem in the power density distribution in the axial direction, but it has an elliptical shape in the circumferential direction and lacks uniformity. (See FIG. 11) In the case of a rotating 4-ellipsoidal mirror having an eccentricity of 0.44, the power density distribution in the circumferential direction is substantially circular and uniform as compared with the case where the sample diameter is φ4 mm. Distribution
Its peak value is not high. For the axial direction,
The flat width of the peak is somewhat wider. (FIG. 12
On the other hand, in the case of the present invention comprising a rotating 4-ellipsoidal mirror having an eccentricity of 0.70, the power density distribution in the circumferential direction is substantially circular and uniform, and its peak value is also 2. It shows a high value exceeding 0 W / mm2. At the same time,
The flat width of the peak portion is sufficiently narrow at 4 mm, and the curve is steep. (See Fig. 3)

【0023】以上の結果から、本発明の単結晶育成装置
は、回転中に生じる照射分布の温度変化が少なく、高品
質の単結晶を育成するのに好適な装置であることがわか
る。また、4個から成る回転楕円面鏡の構成において
も、ランプ光の捕捉率が高く、同じランプであっても加
熱効率が上がるため、より高温材料への適用が可能とな
ると言える。
From the above results, it can be seen that the single crystal growing apparatus of the present invention is suitable for growing a high quality single crystal with little change in the temperature of the irradiation distribution generated during rotation. In addition, even in the configuration of the four spheroidal mirrors, since the capturing efficiency of the lamp light is high and the heating efficiency is increased even with the same lamp, it can be said that application to higher temperature materials is possible.

【0024】また、後者の加熱効率を別な観点から見て
みると、これまで育成していた材料であれば、この装置
を使い、ランプの出力を下げて使用することができる。
このことは、ランプの寿命を数段延ばしてくれる。また
ランプを一層大型化(ランプフィラメントの外径を大き
くする)・大出力化しても、ランプ光をシャープに集光
できるため、その使用が可能となる。同時に、それらを
低いランプ出力で使用することもできる。
Looking at the latter heating efficiency from another point of view, if the material has been grown so far, this device can be used with a reduced lamp output.
This extends the life of the lamp by several steps. Even if the lamp is made larger (increase the outer diameter of the lamp filament) and output is increased, the lamp light can be focused sharply, so that it can be used. At the same time, they can be used at low lamp power.

【0025】なお、これまでは離芯率が約0.70のも
のを例に説明をしてきたが、発明者らのシミュレーショ
ン結果及び試作実験によると、製作上、及びランプと楕
円の配置関係からして、この値は0.65<e<0.8
0の範囲が妥当であることが分かっており、中でも望ま
しい数値は0.68以上0.75以下であった。
In the above description, an example in which the eccentricity is about 0.70 has been described as an example. However, according to the simulation results of the inventors and experimental trials, the production and the arrangement relationship between the lamp and the ellipse are considered. Then, this value is 0.65 <e <0.8
It has been found that a range of 0 is appropriate, and particularly preferable values are 0.68 or more and 0.75 or less.

【0026】ここで、今度は装置全体の大きさに着目し
てみる。図1と図9を比較してみると分かるように、本
発明の回転楕円面鏡は従来のものに比べて、離芯率の違
いから、その高さを低くすることができる。この回転楕
円面鏡は、装置の要となる構成部品の一つであり、その
高さ寸法を割愛して装置の全高を抑えることはできな
い。そのため、わずか100mm程度の単結晶を育成す
るのに対して、装置の高さが1800mmにも及ぶ高い
ものとなっていた。しかしながら、本発明によれば、従
来200mmあった回転楕円面鏡の高さを130mmに
まで低くでき、詳細な説明は割愛するが、石英炉芯管を
着脱する際の逃げ寸法を大きくとる必要がなくなったこ
と等が主な理由となり、それに伴って装置の高さを15
00mmにまで低くすることができた。またこのこと
は、違った見方をするならば、本発明によれば、従来通
り装置の高さを1800mmにしておけば、より長いサ
イズの単結晶の育成が可能となる。
Here, attention is paid to the size of the entire apparatus. As can be seen by comparing FIG. 1 and FIG. 9, the height of the spheroid mirror of the present invention can be made lower than that of the conventional spheroid mirror due to the difference in the eccentricity. This spheroid mirror is one of the key components of the apparatus, and the height of the apparatus cannot be reduced to reduce the overall height of the apparatus. Therefore, while growing a single crystal of only about 100 mm, the height of the apparatus is as high as 1800 mm. However, according to the present invention, the height of the conventional spheroidal mirror, which was 200 mm, can be reduced to 130 mm, and detailed description is omitted, but it is necessary to increase the clearance dimension when attaching and detaching the quartz core tube. The main reason for this is that it has disappeared.
It could be reduced to as low as 00 mm. From a different point of view, according to the present invention, if the height of the apparatus is set to 1800 mm as in the related art, a single crystal having a longer size can be grown.

【0027】[0027]

【実施例2】次に、これまでと異なった実施例として、
本発明は、軸方向の電力密度分布を更に急峻にする施策
を提案している。図4を用いて、それを説明する。図4
は、溶融帯部分を拡大した正面図である。この特徴は、
溶融帯において、原料棒8との固液界面、それに結晶棒
10との固液界面の両方に界面近傍を囲う遮蔽物18を
配置したことである。その結果、溶融帯に集光する軸方
向の電力密度分布は、2個の遮蔽物の間隔で規制されて
狭められ、急峻なカーブとなるため、原料棒8や結晶棒
10は余分に加熱されることがなくなり、融液が原料棒
8の細孔へしみ込む毛細管現象を促進することもなく、
安定したFZを形成・維持することができる。
Embodiment 2 Next, as an embodiment different from the above,
The present invention proposes a measure for making the power density distribution in the axial direction steeper. This will be described with reference to FIG. FIG.
FIG. 3 is an enlarged front view of a molten zone portion. This feature
In the melting zone, a shield 18 surrounding the vicinity of the solid-liquid interface with the raw material rod 8 and the solid-liquid interface with the crystal rod 10 is arranged. As a result, the power density distribution in the axial direction condensed on the melting zone is regulated and narrowed by the interval between the two shields, and has a steep curve. Therefore, the raw material rod 8 and the crystal rod 10 are excessively heated. Without melting and promoting the capillary phenomenon in which the melt seeps into the pores of the raw material rod 8,
A stable FZ can be formed and maintained.

【0028】なお、図4では遮蔽物18を両固液界面部
分に配置したが、これは材料の内容によって、どちらか
片方だけにすることは、何ら問題はない。また、この取
り付け位置(軸方向)は、任意に設定変更可能としてお
き、種々の条件がつくれるようにしておく方がよい。
In FIG. 4, the shield 18 is arranged at the interface between the solid and the liquid. However, depending on the content of the material, there is no problem if only one of them is used. Further, it is preferable that the attachment position (axial direction) can be arbitrarily set and changed so that various conditions can be created.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上説明したように本発明の単結晶育成
装置によれば、離芯率が0.65<e<0.80の回転
楕円面鏡を4個採用しているため、溶融帯が、その全周
に渡って常に均一に加熱され、同時に、軸方向の電力密
度分布を急峻とすることができるため、より安定した単
結晶の育成が可能となる。また、4個から成る回転楕円
面鏡の構成であっても、加熱効率が高い装置となる。更
に、回転楕円面鏡の高さが低くなり、それに伴って装置
全体の高さを低くすることができる。
As described above, according to the single crystal growing apparatus of the present invention, since four spheroidal mirrors having an eccentricity of 0.65 <e <0.80 are employed, the molten zone However, since it is always heated uniformly over the entire circumference and the power density distribution in the axial direction can be sharpened, a more stable single crystal can be grown. Further, even with the configuration of four spheroidal mirrors, the device has a high heating efficiency. Further, the height of the spheroid mirror is reduced, and accordingly, the height of the entire apparatus can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の単結晶育成装置の要部を示す平面図
と正面図(一部断面図)
FIG. 1 is a plan view and a front view (partial sectional view) showing a main part of a single crystal growing apparatus of the present invention.

【図2】 本発明の単結晶育成装置を用いた時の、電力
密度分布図
FIG. 2 is a power density distribution diagram when the single crystal growing apparatus of the present invention is used.

【図3】 本発明の単結晶育成装置を用いた時の、別な
電力密度分布図
FIG. 3 is another power density distribution diagram when the single crystal growing apparatus of the present invention is used.

【図4】 本発明の別な実施例を示す、要部を拡大した
正面図(一部断面図)
FIG. 4 is an enlarged front view (partially sectional view) showing a main part of another embodiment of the present invention.

【図5】 従来の単結晶育成装置の構成を示す正面図
(一部断面図)
FIG. 5 is a front view (partially sectional view) showing a configuration of a conventional single crystal growing apparatus.

【図6】 溶融帯部分を拡大した正面図(一部断面図)FIG. 6 is an enlarged front view (partially sectional view) of a molten zone portion.

【図7】 従来の回転双楕円面鏡を有する単結晶育成装
置を用いた時の、電力密度分布図
FIG. 7 is a power density distribution diagram when a conventional single crystal growing apparatus having a rotating ellipsoidal mirror is used.

【図8】 溶融帯が垂れ落ちる様子を示す、要部を拡大
した正面図(一部断面図)
FIG. 8 is an enlarged front view (partial cross-sectional view) of a main part showing a state in which a molten zone hangs down.

【図9】 従来の回転4楕円面鏡を有する単結晶育成装
置の要部を示す平面図と正面図(一部断面図)
FIG. 9 is a plan view and a front view (partial cross-sectional view) showing main parts of a conventional single crystal growing apparatus having a rotating four-ellipsoidal mirror.

【図10】 従来の回転4楕円面鏡を有する単結晶育成
装置を用いた時の、電力密度分布図
FIG. 10 is a power density distribution chart when a conventional single crystal growing apparatus having a rotating ellipsoidal mirror is used.

【図11】 従来の回転双楕円面鏡を有する単結晶育成
装置を用いた時の、別な電力密度分布図
FIG. 11 is another power density distribution diagram when a conventional single crystal growing apparatus having a rotating ellipsoidal mirror is used.

【図12】 従来の回転4楕円面鏡を有する単結晶育成
装置を用いた時の、別な電力密度分布図
FIG. 12 is another power density distribution diagram when a conventional single crystal growing apparatus having a rotating ellipsoidal mirror is used.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 透明石英管 5b 回転楕円面鏡 7 ハロゲンランプ 8 原料棒 10 結晶棒 18 遮蔽物 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent quartz tube 5b Spheroid mirror 7 Halogen lamp 8 Raw material rod 10 Crystal rod 18 Shield

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】回転楕円面鏡の一方の焦点にランプ、他方
の焦点にフローティング・ゾーンを形成する被加熱物を
配置したフローティング・ゾーン方式の単結晶育成装置
であって、前記回転楕円面鏡は直交軸上に4個対向配置
され、それら回転楕円面鏡は、次式 【式1】離芯率e=(a2−b21/2/a (ここで、寸法a=長軸の長さ、寸法b=短軸の長さ)
で定義される離芯率eが、0.65<e<0.80であ
ることを特徴とする単結晶育成装置。
1. A floating zone type single crystal growing apparatus in which a lamp is provided at one focal point of a spheroidal mirror and an object to be heated forming a floating zone is provided at the other focal point. Are opposed to each other on the orthogonal axis, and these spheroidal mirrors have the following formula: eccentricity e = (a 2 −b 2 ) 1/2 / a (where, dimension a = long axis Length, dimension b = length of short axis)
Wherein the eccentricity e defined by the following expression is 0.65 <e <0.80.
【請求項2】原料棒とフローティング・ゾーンの固液界
面、もしくは結晶棒とフローティング・ゾーンの固液界
面の少なくとも一方に界面近傍を囲う遮蔽物を配置した
ことを特徴とする請求項1記載の単結晶育成装置。
2. The shield according to claim 1, wherein at least one of the solid-liquid interface between the raw material rod and the floating zone or the solid-liquid interface between the crystal rod and the floating zone is provided with a shield surrounding the interface. Single crystal growing equipment.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007099602A (en) * 2005-10-07 2007-04-19 Crystal System:Kk Floating zone melting device
WO2008084529A1 (en) * 2007-01-10 2008-07-17 Crystal Systems Corp. Floating zone melting apparatus

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