特許 6999739 結晶成長装置、及びこの装置を用いた結晶成長方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-24

(45)【発行日】2022-01-19

(54)【発明の名称】結晶成長装置、及びこの装置を用いた結晶成長方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 13/32 20060101AFI20220112BHJP

【ＦＩ】

C30B13/32

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020081929

(22)【出願日】2020-05-07

(65)【公開番号】P2021176812

(43)【公開日】2021-11-11

【審査請求日】2021-03-19

【早期審査対象出願】

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000110859

【氏名又は名称】キヤノンマシナリー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107423

【弁理士】

【氏名又は名称】城村 邦彦

(74)【代理人】

【識別番号】100120949

【弁理士】

【氏名又は名称】熊野 剛

(72)【発明者】

【氏名】長澤 亨

【審査官】神▲崎▼ 賢一

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－２０８３７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－０６５９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２４７６６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２０２１００６７４（ＣＮ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ３０Ｂ １３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

結晶材料を加熱する加熱装置と、前記結晶材料を所定の方向に移動させる移動装置とを具備し、加熱状態にある前記結晶材料を前記移動装置で移動させることで前記結晶材料を前記所定の方向に沿った向きに成長可能な結晶成長装置において、
前記移動装置は、互いに独立して回転数を設定可能な第一モータ及び第二モータと、
入力された回転運動を前記成長方向に沿った向きの直線運動に変換する方向変換部と、
太陽歯車と、前記太陽歯車の外周側に配設されて前記太陽歯車に噛み合う遊星歯車と、前記遊星歯車および前記太陽歯車を包囲して内歯が前記遊星歯車に噛み合う内歯車とを有する遊星歯車機構と、
前記遊星歯車機構の前記内歯車の外周側に配設され、前記内歯車の外歯に噛み合う中間歯車と、
前記遊星歯車機構の前記遊星歯車を回転可能に支持しながら前記太陽歯車及び前記内歯車と同軸に回転可能なキャリアとを備え、
前記第一モータのみの回転運動が前記太陽歯車に入力されて前記遊星歯車が自転及び公転する場合と、第二モータのみの回転運動が前記中間歯車を介して前記内歯車に入力されて前記遊星歯車が自転及び公転する場合と、前記第一モータの回転運動の太陽歯車への入力および第二モータの回転運動の前記中間歯車を介した前記内歯車への入力にて前記遊星歯車が自転及び公転する場合とがあり、
前記いずれの場合であっても、前記遊星歯車の自転および公転が、前記キャリアを介して前記方向変換部に入力される回転運動となることを特徴とする結晶成長装置。

【請求項2】

前記第一モータは、相対的に低速の回転運動を行う低速用モータで、前記第二モータは、相対的に高速の回転運動を行う高速用モータである請求項１に記載の結晶成長装置。

【請求項3】

前記方向変換部は、ボールねじ機構である請求項１又は請求項２の何れか一項に記載の結晶成長装置。

【請求項4】

前記移動装置を、前記結晶材料としての原料棒を支持する第一結晶駆動軸を前記成長方向に沿って移動可能な第一駆動装置として具備している請求項１～３の何れか一項に記載の結晶成長装置。

【請求項5】

前記移動装置を、前記結晶材料としての種結晶を支持する第二結晶駆動軸を前記成長方向に沿って移動可能な第二駆動装置として具備している請求項１～４の何れか一項に記載の結晶成長装置。

【請求項6】

請求項１～５の何れか一項に記載の結晶成長装置を用いた結晶成長方法。

【請求項7】

前記結晶材料からフローティングゾーン法により結晶を成長させる請求項６に記載の結晶成長方法。

【請求項8】

加熱状態にある前記結晶材料としての原料棒と種結晶棒とを当接させた状態で、前記原
料棒を支持する第一結晶駆動軸及び前記種結晶棒を支持する第二結晶駆動軸を前記成長方
向に沿って移動させることで、結晶を鉛直方向に沿って成長させるに際し、
相対的に低速で回転運動を行う前記第一モータとしての低速用モータから前記遊星歯車
機構に一定方向及び一定回転数の回転運動が入力されている状態で、相対的に高速で回転
運動を行う前記第二モータとしての高速用モータから前記遊星歯車機構に所定の回転運動
を入力して、前記原料棒を支持する第一結晶駆動軸と前記種結晶を支持する第二結晶駆動
軸との鉛直方向距離を変化させることで、前記加熱装置により前記原料棒と前記種結晶棒
との当接部に形成される溶融帯の高さ寸法を調整する請求項７に記載の結晶成長方法。

【請求項9】

前記結晶材料からトップシード法により結晶を成長させる請求項６に記載の結晶成長方法。

【請求項10】

前記結晶材料からチョクラルスキー法により結晶を成長させる請求項６に記載の結晶成長方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、結晶成長装置、及びこの装置を用いた結晶成長方法に関する。

【背景技術】

【0002】

周知のように、単結晶を育成するに際しては、フローティングゾーン式の結晶成長方法を用いられている。この成長方法（フローティングゾーン法）は、例えば対称形の２つの楕円面鏡の一方の焦点に結晶材料としての原料棒と種結晶棒との突合せ部を配置すると共に、他方の焦点付近に、ハロゲンランプ等の加熱源を配置し、当該加熱源で突合せ部を加熱しながら、原料棒を下端に固定した上結晶駆動軸と、種結晶棒を上端に固定した下結晶駆動軸とを共に回転させ、かつ下方に向けてゆっくり移動させることによって、突合せ部に溶融帯を形成すると共に、この溶融帯を原料棒側に移動させていき、単結晶を成長させるものである（例えば、特許文献１を参照）。

【0003】

また、この場合、各駆動軸を回転させながら上下に移動させるための装置として、各駆動軸に回転用モータを接続すると共に、この回転用モータとは独立の上下動用モータを具備することで、各駆動軸と回転用モータとを一体に上下に移動可能としたものが知られている（例えば、特許文献２を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１４－２３１４５９号公報

【文献】特開２００１－３４２０９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上述した結晶成長方法においては、結晶の成長に好適な速度レンジ（例えば１０^－２～１０^０ｍｍ／ｈ）で各駆動軸の移動を制御する必要があるのに対し、結晶材料の交換時や位置決め時には、作業効率の観点から、結晶成長時とは異なる速度レンジ（例えば１０^２ｍｍ／ｍｉｎ～）で各駆動軸を移動させたい要望がある。また、結晶の成長中においても、上述した速度で下方に移動している最中に、溶融帯（フローティングゾーン）の高さ寸法を調整する等の目的で例えば上結晶駆動軸を下方への移動速度に比べて高速で上昇又は下降させる必要が生じることがある。

【0006】

ここで、上述した広範な速度レンジを単一の上下動用モータでカバーしようとした場合、例えば低速レンジでの使用時に駆動トルクの変動（脈動）が顕著となり、スムーズな移動を得ることができないおそれが生じる。そこで、例えば低速レンジ用のモータと高速レンジ用のモータとを互いに独立して具備し、これら異なるレンジ用モータの動作を切替えることにより上述した広範な速度レンジ全域における滑らかな動作を実現することが考えられる。

【0007】

図８は、上述した各結晶駆動軸の異なる速度レンジにおける移動制御を実現するための移動装置１００の一例を示している。図８に示す移動装置１００は、低速用モータ１０１と高速用モータ１０２と、各モータ１０１，１０２から入力された回転運動を直線運動に変換して各駆動軸（例えば上結晶駆動軸）に伝達するボールねじ機構１０３とを具備する。この場合、各モータ１０１，１０２とボールねじ機構１０３とは歯車機構１０４を介して動力伝達可能に構成されると共に、各モータ１０１，１０２と歯車機構１０４との間にはそれぞれ減速機１０５，１０６とクラッチ機構１０７，１０８が接続されている。この場合、ボールねじ機構１０３のボールねじ１０９が歯車機構１０４の中間歯車１１０に接続されている。また、低速用モータ１０１が減速機１０５及びクラッチ機構１０７を介して中間歯車１１０と噛み合う第一歯車１１１に接続されると共に、高速用モータ１０２が減速機１０６及びクラッチ機構１０８を介して中間歯車１１０と噛み合う第二歯車１１２に接続される。この場合、ボールねじ機構１０３のナット部１１３が例えば図示しない上結晶駆動軸に連結されている。なお、図示は省略するが、下結晶駆動軸にも上記構成と同じ移動装置が設けられている。

【0008】

上記構成の移動装置１００によれば、低速時と高速時とで使用するモータ１０１，１０２を切替えて、ボールねじ機構１０３の出力部（直線運動を行う部分）となるナット部１１３の移動速度を制御することができる。すなわち、例えばナット部１１３を材料加熱時など低速で移動させたい場合には、低速側のクラッチ機構１０７を切替えて低速用モータ１０１と歯車機構１０４とを接続する一方、高速側のクラッチ機構１０８を切替えて高速用モータ１０２と歯車機構１０４とを切断状態とする。これにより、加熱時のオーダーに見合った速度で各結晶駆動軸を移動させて、単結晶を好適な態様で成長させることが可能となる。一方で、加熱成長時以外の動作時（例えば結晶材料の交換や位置決めなど）や加熱成長時における溶融帯の高さ寸法調整の際には、低速側のクラッチ機構１０７を切替えて低速用モータ１０１と歯車機構１０４とを切断状態とした後、高速側のクラッチ機構１０８を切替えて高速用モータ１０２と歯車機構１０４とを接続する。これにより、上述した準備作業又は加熱成長時の調整作業を迅速に実施することが可能となる。

【0009】

しかしながら、上述した構造の移動装置１００においては、使用するモータを切替える際，どうしても一方のモータと歯車機構１０４との接続状態を切断した後に、他方のモータと歯車機構１０４とを接続する必要が生じる。これでは、歯車機構１０４が何れのモータとも接続されていない状態（時間）が生じ、出力側となるボールねじ機構１０３（のナット部１１３）に固定された各結晶駆動軸の鉛直方向位置がずれるおそれが生じる。これでは、溶融帯の高さ寸法を精度よく管理できないため、高精度な単結晶を得ることは難しい。また、上記構成の移動装置１００だと、二種類のモータ１０１，１０２だけでなく、それぞれのモータ１０１，１０２に対応したクラッチ機構１０７，１０８が必要となり、かつこれらを適宜のタイミングで制御する必要が生じるため、構造並びに制御が複雑となるだけでなく、細微な位置調整を必要とする際に、操作者による入力から実際の動作までに時間遅れが生じる不便がある。

【0010】

上述した問題は何もフローティングゾーン法で単結晶を成長させる場合にのみ起こることではなく、例えばチョクラルスキー法などの他の方法で単結晶を成長させる場合、さらに言えば単結晶以外の結晶（例えばシリコン多結晶）を成長させる場合にも同様に起こり得る。

【0011】

以上の事情に鑑み、本明細書では、広範な速度レンジにわたる駆動軸の円滑な移動を簡易にかつ高精度に実現可能とする結晶成長装置、及びこの装置を用いた結晶成長方法を提供することを、解決すべき技術課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

前記課題の解決は、本発明に結晶成長装置によって達成される。すなわち、この結晶成長装置は、結晶材料を加熱する加熱装置と、前記結晶材料を所定の方向に移動させる移動装置とを具備し、加熱状態にある前記結晶材料を前記移動装置で移動させることで前記結晶材料を前記所定の方向に沿った向きに成長可能な結晶成長装置において、前記移動装置は、互いに独立して回転数を設定可能な第一モータ及び第二モータと、入力された回転運動を前記成長方向に沿った向きの直線運動に変換する方向変換部と、太陽歯車と、前記太陽歯車の外周側に配設されて前記太陽歯車に噛み合う遊星歯車と、前記遊星歯車および前記太陽歯車を包囲して内歯が前記遊星歯車に噛み合う内歯車とを有する遊星歯車機構と、前記遊星歯車機構の前記内歯車の外周側に配設され、前記内歯車の外歯に噛み合う中間歯車と,前記遊星歯車機構の前記遊星歯車を回転可能に支持しながら前記太陽歯車及び前記内歯車と同軸に回転可能なキャリアとを備え、前記第一モータのみの回転運動が前記太陽歯車に入力されて前記遊星歯車が自転及び公転する場合と、第二モータのみの回転運動が前記中間歯車を介して前記内歯車に入力されて前記遊星歯車が自転及び公転する場合と、前記第一モータの回転運動の太陽歯車への入力および第二モータの回転運動の前記中間歯車を介した前記内歯車への入力にて前記遊星歯車が自転及び公転する場合とがあり、前記いずれの場合であっても、前記遊星歯車の自転および公転が、前記キャリアを介して前記方向変換部に入力される回転運動となる。

【0013】

このように、本発明に係る結晶成長装置では、互いに独立して回転数を設定可能な二つのモータを用いると共に、これら二つのモータと方向変換部とをそれぞれ遊星歯車機構の太陽歯車、遊星歯車、及び内歯車の何れか一つと機械的に接続し、かつこれら三つ全ての歯車を回転可能に構成した。このように構成することによって、何れのモータから入力された回転運動であっても円滑に方向変換部に伝達（出力）することができる。また、遊星歯車機構の三つの歯車全てを同時に回転運動の伝達に用いることが可能となるので、例えば第一モータ及び第二モータから重複して回転運動が入力された場合には、これら重複して入力された回転運動を合成して方向変換部に伝達することができる。よって、例えば上述したように二つのモータを使い分ける必要がある場合において、一方のモータを停止するタイミングを厳密に制御しなくても、言い換えると、双方のモータが重複して回転している時間帯が存在する場合であっても、適切な直線運動を出力することが可能となる。従って、結晶材料を駆動させる駆動部（駆動軸など）に位置ずれ等が生じる事態を防止して、結晶材料の移動方向や移動速度を自由にかつ微細に調整することが可能となる。また、本発明に係る移動装置（結晶成長装置）であれば、遊星歯車機構と各モータとの接続状態と切断状態とを切替える必要がないので、クラッチ機構なども不要となり、例えば図８に示す移動装置１００と比べて、装置の簡素化並びに制御の容易化を図ることが可能となる。

【0014】

また、本発明に係る結晶成長装置において、第一モータは、相対的に低速の回転運動を行う低速用モータで、第二モータは、相対的に高速の回転運動を行う高速用モータであってもよい。

【0015】

このように二つのモータをそれぞれ低速用モータと高速用モータとすることによって、結晶材料の移動速度をより大きなレンジで設定することができる。従って、結晶材料の移動速度や移動速度をより自由にかつ微細に調整することが可能となる。

【0016】

また、本発明に係る結晶成長装置において、第一モータが太陽歯車に接続され、第二モータが内歯車に接続され、かつ方向変換部が遊星歯車に接続されてもよい。

【0017】

このように各モータと方向変換部を遊星歯車機構の各歯車と接続することによって、何れのモータから入力された回転運動についても減速して方向変換部に伝達することができる。よって、選定するモータの種類によっては必要とされる減速機（図８を参照）を小型化又は省略して、装置の更なる簡素化を図ることが可能となる。また、第一モータと低速用モータ、第二モータを高速用モータとする場合には、第一モータを太陽歯車に接続し、第二モータを内歯車に接続することで、モータの回転数に見合った減速比をそれぞれ付与することができるため、各モータの回転運動を効率よく減速して方向変換部に伝達することが可能となる。

【0018】

また、本発明に係る結晶成長装置において、何れか一方のモータから遊星歯車機構に所定の回転運動が入力されている状態で、他方のモータから遊星歯車機構に一方のモータとは異なる回転運動が入力されると共に、一方のモータからの所定の回転運動の入力が停止されるように、双方のモータが制御可能に構成されてもよい。

【0019】

このように本発明に係る結晶成長装置において双方のモータを制御可能に構成することによって、一方のモータを停止するタイミングを厳密に制御しなくても、モータの切替えを円滑にかつ自動的に行うことができる。よって、例えば結晶材料の移動速度レンジの切替えを円滑にかつ自動的に行うことができ、加熱成長プロセスを含めた結晶成長工程全体の効率化を図ることが可能となる。

【0020】

あるいは、本発明に係る結晶成長装置において、何れか一方のモータから遊星歯車機構に所定の回転運動、例えば一定方向及び一定回転数の回転運動が入力されている状態で、他方のモータから遊星歯車機構に所定の回転運動が入力されるように、双方のモータが制御可能に構成されてもよい。

【0021】

このように双方のモータを相互の干渉無く制御可能に構成することによって、一方のモータにより全体としては結晶材料を所定の方向に一定速度で移動させつつ、当該移動中に他方のモータから付加された回転運動により結晶材料の位置を調整することができる。よって、例えば後述するフローティングゾーン法により結晶の成長を図る場合に、結晶の成長に係る部分（溶融帯）の高さ寸法ないし形状を、二つのモータの協働により調整しながら結晶の成長を図ることが可能となる。

【0022】

また、本発明に係る結晶成長装置において、方向変換部は、ボールねじ機構であってもよい。

【0023】

このように方向変換部としてボールねじ機構を採用することによって、ボールねじ機構が有する優れた位置精度を結晶材料の移動に反映させることができる。すなわち結晶材料の加熱成長時、結晶材料は上述の如く極めて低速で移動するため、その位置精度が結晶品質にとって重要となる。そのため、方向変換部にボールねじ機構を用いることで、例えばサーボモータなどモータ側から高精度に入力された回転運動をロスなく正確に直線運動に変換して結晶材料の位置精度に反映させることが可能となる。

【0024】

また、本発明に係る結晶成長装置においては、移動装置を、結晶材料としての原料棒を支持する第一結晶駆動軸を成長方向に沿って移動可能な第一駆動装置として具備してもよい。また、移動装置を、結晶材料としての種結晶棒を支持する第二結晶駆動軸を成長方向に沿って移動可能な第二駆動装置として具備してもよい。

【0025】

公知の結晶成長方法のうち、例えばフローティングゾーン法では、加熱成長時、結晶材料としての原料棒と種結晶棒とを鉛直方向で当接させた状態で、原料棒を第一結晶駆動軸の駆動により、種結晶棒を第二結晶駆動軸の駆動により共に成長方向に沿って移動、例えば下方に向けて直線移動させる。そのため、原料棒と種結晶棒の何れか一方の駆動を担う移動装置に本発明を適用することにより、結晶成長部位となる原料棒と種結晶棒との当接部の位置を高精度に管理することが可能となる。また、フローティングゾーン法のように当接部に溶融帯が形成される場合には当該溶融帯の高さや形状を高精度に制御することが可能となる。

【0026】

また、以上の説明に係る成長結晶装置は、広範な速度レンジにわたる駆動軸の円滑な移動を簡易にかつ高精度に実現可能とするものであるから、例えばこの結晶成長装置を用いた結晶成長方法として好適に提供することが可能である。

【0027】

この場合、本発明に係る結晶成長方法として、結晶材料からフローティングゾーン法により単結晶を成長させてもよい。あるいは、結晶材料からチョクラルスキー法により単結晶を成長させてもよい。あるいは、結晶材料からトップシード法により単結晶を成長させてもよい。

【0028】

上述した結晶成長方法は何れも加熱状態の結晶材料を鉛直方向に移動させながら結晶の成長を図る手法であるから、本発明の利点を享受することができる。

【0029】

また、フローティングゾーン法により結晶を成長させる場合、本発明に係る結晶成長方法においては、加熱状態にある結晶材料としての原料棒と種結晶棒とを当接させた状態で、原料棒を支持する第一結晶駆動軸及び種結晶棒を支持する第二結晶駆動軸を成長方向に沿って移動させることで、結晶を鉛直方向に沿って成長させるに際し、相対的に低速で回転運動を行う第一モータとしての低速用モータから遊星歯車機構に一定方向及び一定回転数の回転運動が入力されている状態で、相対的に高速で回転運動を行う第二モータとしての高速用モータから遊星歯車機構に所定の回転運動を入力して、第一結晶駆動軸と第二結晶駆動軸との鉛直方向距離を変化させることで、加熱装置により原料棒と種結晶棒との当接部に形成される溶融帯の高さ寸法を調整してもよい。

【0030】

このように、本発明に係る結晶成長方法では、フローティングゾーン法により結晶を成長させる場合に、本発明に係る移動装置で第一結晶駆動軸と第二結晶駆動軸の少なくとも何れか一方を上述のように移動させることとし、かつ低速用モータと高速用モータとを併用することによって、加熱成長時における溶融帯の高さ寸法を調整した。この方法によれば、低速用モータにより全体としては結晶材料を所定の方向に一定速度で移動させつつ、当該移動中に高速用モータから付加された回転運動により結晶材料の位置を円滑に微調整することができる。また、その際の調整量を高速用モータの回転数のみで調整することができる。よって、結晶の成長に係る溶融帯の高さ寸法ないし形状をより高精度に制御することが可能となる。

【発明の効果】

【0031】

以上のように、本発明によれば、広範な速度レンジに亘る駆動軸の円滑な移動を簡易にかつ高精度に実現可能とする結晶成長装置、及びこの装置を用いた結晶成長方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明の一実施形態に係る結晶成長装置の全体構成を示す断面図である。

【図2】図１に示す結晶成長装置のＡ－Ａ切断線に沿った断面を模式的に表した図である。

【図3】図１に示す結晶成長装置の要部を拡大して模式的に表した 図である。

【図4】図１に示す移動装置の一構成例を示す図である。

【図5】図４に示す移動装置のＢ－Ｂ切断線に沿った断面図である。

【図6】図４に示す移動装置を用いた結晶材料の加熱成長プロセスにおける（ａ）低速用モータの回転速度と（ｂ）高速用モータの回転速度、及びに（ｃ）駆動軸の高さ位置との関係を示すグラフである。

【図7】図４に示す移動装置を用いた結晶材料の加熱成長プロセスにおける（ａ）低速用モータの回転速度と（ｂ）高速用モータの回転速度、及び（ｃ）駆動軸の高さ位置との関係を示すグラフである。

【図8】本発明との比較対象に係る移動装置の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、本発明の一実施形態に係る結晶成長装置及びこの装置を用いた結晶成長方法の内容を図面に基づいて説明する。

【0034】

図１は、本発明の一実施形態に係る結晶成長装置１０の全体構成を示す図（縦断面図）である。また、図２は、図１に示す結晶成長装置１０のＡ－Ａ切断線に沿った断面を模式的に表している。図１及び図２に示すように、本実施形態に係る結晶成長装置１０は、結晶材料を加熱するための加熱装置１１と、結晶材料を所定の方向に移動させる移動装置１２，１３とを主に具備する。

【0035】

このうち、加熱装置１１は、対称形の二つの回転楕円面鏡１４，１５と、加熱源としての赤外線ランプ１６，１７とを有する。ここで、二つの回転楕円面鏡１４，１５は、各々の一方の焦点Ｆ０，Ｆ０が一致するように対向結合している。各回転楕円面鏡１４，１５の内面となる反射面は、例えば赤外線を高反射率で反射する目的で金めっき処理を施している。また、各回転楕円面鏡１４，１５の他方の焦点Ｆ１，Ｆ２付近には、それぞれハロゲンランプなどの赤外線ランプ１６，１７が配置されている。各回転楕円面鏡１４、１５の 一致した焦点Ｆ０には被加熱部１８が位置するように、結晶材料としての原料棒１９と種結晶棒２０がそれぞれ所定の位置に配置されている。ここでは、上側の移動装置（第一駆動装置）１２を構成する上結晶駆動軸２１の下端に原料棒１９が固定されると共に、下側の移動装置（第二駆動装置）１３を構成する下結晶駆動軸２２の上端に種結晶棒２０が固定されており、原料棒１９の下端と種結晶棒２０の上端とを突き合せた状態にある。この突合せ部（当接部）が加熱装置１１による被加熱部１８となる。

【0036】

上結晶駆動軸２１及び下結晶駆動軸２２が収容される空間２３は、図１に示すように、透明な石英管２４によって、加熱源１６，１７が配置された空間２５と区画され、石英管２４の長手方向両端に取付けられる保持部材２６，２７によって気密状態とされている。この気密状態の空間２３には不活性ガスなどが充填され、結晶（単結晶）の成長に好適な雰囲気が生成される。

【0037】

各移動装置１２，１３は、上述の如く上結晶駆動軸２１と下結晶駆動軸２２をそれぞれ有し、各駆動軸２１，２２を回転駆動すると共に、上下方向に移動可能に構成されている。また、上結晶駆動軸２１と下結晶駆動軸２２とが同期して、又は相対速度を有して上下方向に移動可能に構成されている。各移動装置１２，１３の詳細は後述する。

【0038】

次に、上記構成の結晶成長装置１０を用いた結晶成長方法の一例を説明する。

【0039】

まず、図１に示すように、二つの回転楕円面鏡１４，１５の共通の焦点Ｆ０に原料棒１９と種結晶棒２０との突合せ部を配置すると共に、焦点Ｆ１，Ｆ２に配置した赤外線ランプ１６，１７から赤外線を照射する。照射された赤外線は、回転楕円面鏡１４，１５の内面で反射され、焦点Ｆ０に配置した原料棒１９と種結晶棒２０との当接部、すなわち被加熱部１８に集光することにより、被加熱部１８が加熱される。この赤外線加熱による輻射エネルギーにより、被加熱部１８の原料棒１９の下端及び種結晶棒２０の上端を加熱溶融させながら、円滑に接触させることにより、図３に示すように、原料棒１９と種結晶棒２０間の被加熱部１８に溶融帯２８を形成する。

【0040】

また、上述した加熱を行いながら、上結晶駆動軸２１と下結晶駆動軸２２とを共に回転させ、かつ同期して又は相対速度を有した状態で非常に低速（例えば１０^－２～１０^０ｍｍ／ｈ）で下方に向けて移動させることで、原料棒１９と種結晶棒２０との間の溶融帯２８が次第に原料棒１９側に移動していく。この際、被加熱部１８も次第に原料棒１９側に移動していくことで、溶融帯２８であった領域が次第に冷却されていく。以上のプロセスを経ることで、溶融帯２８のうち冷却された領域に単結晶が生成され、生成された単結晶が原料棒１９と種結晶棒２０の移動方向（ここでは鉛直方向）に沿って成長する。

【0041】

図４は、移動装置としての第一駆動装置１２の全体構成を示している。この第一駆動装置１２は、結晶材料としての原料棒１９を所定の方向（ここでは鉛直方向）に沿って直線的に移動させるためのもので、本実施形態では、原料棒１９を下端に固定した上結晶駆動軸２１を所定の軸線Ｘ１まわりに回転させながら上下方向に移動できるように構成されている。具体的に、第一駆動装置１２は、二つのモータ３１，３２と、各モータ３１，３２から入力された回転運動を直線運動に変換する方向変換部３３と、各モータ３１，３２及び方向変換部３３と機械的に接続される遊星歯車機構３４と、制御部３５とを備える。また、本実施形態では、各モータ３１，３２と遊星歯車機構３４との間に減速機３６，３７がそれぞれ配設されている。

【0042】

二つのモータ３１，３２は互いに独立して回転方向及び回転数を調整可能なモータで、本実施形態では、相対的に低速の回転運動を行う低速用モータ３１と、相対的に高速の回転運動を行う高速用モータ３２である。この場合、低速用モータ３１が本発明に係る第一モータに相当し、高速用モータ３２が本発明に係る第二モータに相当する。ここで、低速用モータ３１の回転軸３１ａは、減速機３６を介して、遊星歯車機構３４の太陽歯車３８、遊星歯車３９、及び内歯車４０の何れか一つに連結されている。また、高速用モータ３２の回転軸３２ａは、減速機３７を介して、太陽歯車３８、遊星歯車３９、及び内歯車４０のうち低速用モータ３１と連結される歯車以外の歯車と連結されている。本実施形態では、低速用モータ３１の回転軸３１ａは、太陽歯車３８と連結されている。また、高速用モータ３２の回転軸３２ａは、中間歯車４１に連結されており、この中間歯車４１の外歯４１ａが、図５に示すように、内歯車４０の外周に設けられた外歯４０ａと噛み合うことで、高速用モータ３２が内歯車４０と機械的に接続されている。なお、低速用モータ３１と高速用モータ３２ともに、任意の種類のモータが採用可能であり、例えばサーボモータを好適に採用することが可能である。

【0043】

方向変換部３３は、本実施形態では、ボールねじ機構４２で構成されている。ボールねじ機構４２のねじ部４３は、キャリヤ４４を介して複数の遊星歯車３９と連結されている。また、ボールねじ機構４２のナット部４５は、連結部材４６を介して回転用モータ４７と連結されており、この回転用モータ４７の回転軸４７ａが上結晶駆動軸２１と連結されている。この場合、遊星歯車３９から取り出された回転運動がキャリヤ４４を介してボールねじ機構４２のねじ部４３に出力されると共に、ねじ部４３の長手方向移動が規制されることで、ねじ部４３と螺合しているナット部４５がねじ部４３の長手方向に沿って直線運動を行う。この結果、ナット部４５と連結された回転用モータ４７及び上結晶駆動軸２１が一体にねじ部４３の長手方向に沿って直線運動を行い得る。

【0044】

遊星歯車機構３４は、既述のように、太陽歯車３８と、遊星歯車３９と、内歯車４０とを有する。本実施形態では、図５に示すように、三個の遊星歯車３９が太陽歯車３８と内歯車４０の内歯４０ｂとそれぞれ噛み合う位置に配設されている。また、これら太陽歯車３８と遊星歯車３９、及び内歯車４０は何れも回転可能に構成されており、言い換えると、何れも固定されることなく回転可能に支持されており、低速用モータ３１から入力された回転運動を受けて太陽歯車３８が回転できるようになっている。また、高速用モータ３２に連結された中間歯車４１から入力された回転運動を受けて内歯車４０が回転できるようになっている。また、これら太陽歯車３８と内歯車４０の何れか一方、又は双方から入力された回転運動を受けて太陽歯車３８又は内歯車４０と噛み合う遊星歯車３９が自転及び公転できるようになっている。以上より、本実施形態に係る遊星歯車機構３４においては、低速用モータ３１のみから回転運動が太陽歯車３８に入力された場合、当該入力された回転運動が遊星歯車３９、さらにキャリヤ４４を介して方向変換部３３（ボールねじ機構４２）に出力され得る。あるいは、高速用モータ３２のみから回転運動が内歯車４０に入力された場合、当該入力された回転運動が遊星歯車３９、さらにキャリヤ４４を介して方向変換部３３に出力され得る。あるいは、低速用モータ３１と高速用モータ３２の双方から回転運動が太陽歯車３８と内歯車４０に入力された場合、当該入力された二つの回転運動が合成された状態で遊星歯車３９、さらにキャリヤ４４を介して方向変換部３３に出力され得る。

【0045】

制御部３５は、低速用モータ３１の回転を制御すると共に、高速用モータ３２の回転を制御する。具体的には、低速用モータ３１及び高速用モータ３２の回転駆動の開始タイミングと停止タイミングを制御すると共に、その回転方向と回転数を制御する。また、制御部３５による各モータ３１，３２の制御は、例えば図示しない記憶部に予め記憶させておいた制御プログラムに基づいて自動的に行ってもよいし、作業者の操作に基づいて各モータ３１，３２の回転を制御するものであってもよい。

【0046】

移動装置としての第二駆動装置１３は、結晶材料としての種結晶棒２０を上下方向に移動させるためのもので、本実施形態では、種結晶棒２０を上端に固定した下結晶駆動軸２２を、上結晶駆動軸２１と共通の軸線Ｘ１まわりに回転させながら上下方向に移動できるように構成されている（図３を参照）。具体的な構成としては、第一駆動装置１２と同じ構成をとることができ、例えば図示は省略するが、低速用モータと高速用モータ、方向変換部、遊星歯車機構、制御部、及び減速機で第二駆動装置１３を構成することが可能である。また、この場合、制御部は、第一駆動装置１２の制御部３５としてもよい。すなわち、一つの制御部３５で第一及び第二駆動装置１２，１３を制御してもよい。

【0047】

次に、上記構成の移動装置の動作の一例を、図６及び図７を中心に説明する。すなわち、本実施形態では、本発明に係る結晶成長方法を、結晶材料の準備工程Ｓ１と、加熱成長工程Ｓ２とに分けて、さらには準備工程Ｓ１を位置決め工程Ｓ３と予備加熱工程Ｓ４とに分けると共に、加熱成長工程Ｓ２を、移動工程Ｓ５と、位置調整工程Ｓ６とに分けて説明する。

【0048】

（Ｓ１）準備工程
（Ｓ３）位置決め工程
まず、結晶材料となる原料棒１９と種結晶棒２０をそれぞれ第一駆動装置１２の上結晶駆動軸２１と第二駆動装置１３の下結晶駆動軸２２とに取り付け、第一駆動装置１２の回転用モータ４７で上結晶駆動軸２１を回転させると共に、第二駆動装置１３の図示しない回転用モータでと下結晶駆動軸２２を回転させる。そして、制御部３５により、第一及び第二駆動装置１２，１３を制御して、上結晶駆動軸２１と下結晶駆動軸２２をそれぞれ移動させて、原料棒１９の下端と種結晶棒２０の上端とを当接させた状態とする。然る後、制御部３５により、各駆動装置１２，１３を制御して、各回転楕円面鏡１４，１５の共通の焦点Ｆ０又はその周辺に基準位置を設けて、当該位置に原料棒１９と種結晶棒２０との当接部を移動させることにより、原料棒１９と種結晶棒２０との位置決めを行う。この際の第一駆動装置１２における各モータ３１，３２の動作と上結晶駆動軸２１の動きを図６に示す。図６（ｂ）に示すように、位置決め工程Ｓ３においては、高速用モータ３２を用いて上結晶駆動軸２１を移動させる。一方、この間の低速用モータ３１は停止状態である（図６（ａ）を参照）。この場合、高速用モータ３２の回転速度（指令値）は、最終的に変換出力される所望の直線運動の速度（上結晶駆動軸２１の軸線Ｘ１に沿った向きの移動速度）に応じて設定される。一例として、上結晶駆動軸２１の移動速度が１０^２ｍｍ／ｍｉｎオーダーの範囲となるように、高速用モータ３２の回転速度が適宜の範囲に設定される。本実施形態では、一定の回転速度Ｖ２（絶対値）とすることで、図６（ｃ）に示すように、上結晶駆動軸２１が一定の速度（勾配）で、初期位置Ｐ０から基準位置Ｐ１に向けて移動する。上述した各モータ３１，３２の位置決め工程Ｓ３期間における速度制御が制御部３５により行われる。また、第二駆動装置１３においても、第一駆動装置１２と同じ各モータの速度制御が制御部３５により行われる。これにより、原料棒１９と種結晶棒２０との相対位置は変化することなく各結晶駆動軸２１，２２が所定の高さ位置に位置決めされる。例えば上結晶駆動軸２１であれば、図６（ｃ）に示すように基準位置Ｐ１に配置される。

【0049】

（Ｓ４）予備加熱工程
上述のように各駆動装置１２，１３を駆動して原料棒１９と種結晶棒２０との当接部の位置決めを行った後、加熱装置１１による当接部の加熱を行う。この際、被加熱部１８が所定の温度にまで加熱される間、上結晶駆動軸２１と下結晶駆動軸２２の位置は位置決め時の高さ位置（上結晶駆動軸２１であれば図６（ｃ）に示すように基準位置Ｐ１）に保持される。これにより、被加熱部１８が所定の温度にまで加熱され、被加熱部１８に溶融帯２８が形成される。この間（予備加熱工程Ｓ４期間）、低速用モータ３１、高速用モータ３２ともに停止した状態にある（図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照）。

【0050】

（Ｓ２）加熱成長工程
（Ｓ５）移動工程
上述のようにして被加熱部１８に溶融帯２８が形成された後、上述した加熱を引き続き行いながら、制御部３５により、上結晶駆動軸２１と下結晶駆動軸２２とを同期して又は一定の相対速度を有した状態で非常に低速で下方に向けて移動させる。この際、例えば第一駆動装置１２においては、図６（ａ）に示すように、主に低速用モータ３１を回転駆動させることにより上結晶駆動軸２１を移動させる。一方、この間の高速用モータ３２は停止状態である（図６（ｂ）を参照）。この場合、低速用モータ３１の回転速度（指令値）は、最終的に変換出力される所望の直線運動の速度（上結晶駆動軸２１の軸線Ｘ１に沿った向きの移動速度）に応じて設定される。一例として、上結晶駆動軸２１の移動速度が１０^－２～１０^０ｍｍ／ｈオーダーの範囲となるように、低速用モータ３１の回転速度が適宜の範囲に設定される。本実施形態では、一定の回転速度Ｖ１（絶対値）とすることで、図６（ｃ）に示すように、上結晶駆動軸２１が一定の速度（勾配）で、基準位置Ｐ１から下方に向けて移動する。上述した各モータ３１，３２の移動工程Ｓ５期間における制御が制御部３５により行われる。また、第二駆動装置１３においても、第一駆動装置１２と同様の各モータの制御が制御部３５により行われる。ここで、被加熱部１８の鉛直方向位置は一定であることから（図１を参照）、上述のように上結晶駆動軸２１と下結晶駆動軸２２とを移動させることによって、原料棒１９と種結晶棒２０との間の溶融帯２８が次第に原料棒１９側に移動していく（広がっていく）。そして、溶融帯２８のうち被加熱部１８から外れた領域から次第に冷却されていく。以上のプロセスを経ることで、溶融帯２８のうち冷却された領域に単結晶が生成され、生成された単結晶が原料棒１９と種結晶棒２０の移動方向（ここでは鉛直方向）に沿って成長する。

【0051】

（Ｓ６）位置調整工程
また、加熱成長工程Ｓ２の間、溶融帯２８の形態、例えば高さ寸法Ｈ１（図３を参照）が所望の寸法から乖離している等、形態の修正が必要と判断された場合には、原料棒１９と種結晶棒２０の何れか一方の高さ位置を調整する。この調整は、作業者が溶融帯２８の形態を監視しながら、作業者の判断により随時行ってもよい。あるいは、例えば溶融帯２８の高さ寸法を検知し、検知した高さ寸法と、予め記憶させておいた制御プログラムとに基づいて、制御部３５により自動的に行ってもよい。

【0052】

この場合、例えば第一駆動装置１２においては、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、制御部３５により、低速用モータ３１の回転駆動状態を移動工程Ｓ５時から継続すると共に、高速用モータ３２を回転駆動させる。ここで、入力側である低速用モータ３１と高速用モータ３２はそれぞれ、遊星歯車機構３４と太陽歯車３８と内歯車４０に機械的に接続され、出力側である方向変換部３３は遊星歯車機構３４の遊星歯車３９（キャリヤ４４）に機械的に接続されている（図４を参照）。また、これら太陽歯車３８と内歯車４０、及び遊星歯車３９は何れも同時に回転可能に構成されている（図５を参照）。そのため、低速用モータ３１と高速用モータ３２とがともに回転駆動する場合、低速用モータ３１から入力された回転運動と、高速用モータ３２から入力された回転運動とが合成されて方向変換部３３に出力される。よって、例えば高速用モータ３２の回転方向が低速用モータ３１の回転方向と逆向きである場合、回転運動全体としては、上結晶駆動軸２１を移動工程Ｓ５時の移動方向（下方向）とは逆向きの方向（上方向）に移動させる回転運動が方向変換部３３に入力される。これにより上結晶駆動軸２１は、図７（ｃ）に示すように、位置Ｐ２から位置Ｐ３に上昇する。一方で、第二駆動装置１３の駆動態様は、移動工程Ｓ５時と位置調整工程Ｓ６時とで変わらないため、位置調整工程Ｓ６の前後で、上結晶駆動軸２１と下結晶駆動軸２２との鉛直方向距離は拡大し、原料棒１９と種結晶棒２０との間に形成される溶融帯２８の高さ寸法Ｈ１が増大する。このようにして溶融帯２８の形態について所望の修正が行われる。従って、より所望の形態に近づけた状態で単結晶の成長を図ることが可能となる。

【0053】

以上述べたように、本実施形態に係る結晶成長装置１０では、互いに独立して回転数を設定可能な二つのモータ３１，３２を用いると共に、これら二つのモータ３１，３２と方向変換部３３とをそれぞれ遊星歯車機構３４の太陽歯車３８、遊星歯車３９、及び内歯車４０の何れか一つと機械的に接続し、かつこれら三つ全ての歯車３８～４０を回転可能に構成した（図４及び図５を参照）。このように構成することによって、何れのモータ３１（３２）から入力された回転運動であっても円滑に方向変換部３３に伝達（出力）することができる。また、遊星歯車機構３４の三つの歯車３８～４０全てを同時に回転運動の伝達に用いることが可能となるので、例えば第一モータ３１及び第二モータ３２から重複して回転運動が入力された場合には、これら重複して入力された回転運動を合成して方向変換部３３に伝達することができる。よって、例えば上述したように二つのモータ３１，３２を使い分ける必要がある場合において、一方のモータ３１（３２）を停止しなくても、言い換えると、双方のモータ３１，３２が重複して回転していても、問題なく所望の直線運動を出力することが可能となる。従って、原料棒１９又は種結晶棒２０を駆動させる駆動部（ここでは上結晶駆動軸２１と下結晶駆動軸２２）に位置ずれ等が生じる事態を防止して、原料棒１９又は種結晶棒２０の移動方向や移動速度を自由にかつ微細に調整することが可能となる。また、本実施形態に係る移動装置１２，１３（結晶成長装置１０）であれば、遊星歯車機構３４と各モータ３１（３２）との接続状態と切断状態とを切替える必要がないので、クラッチ機構なども不要となり、例えば図８に示す移動装置１００と比べて、装置の簡素化並びに制御の容易化を図ることが可能となる。

【0054】

また、本実施形態では、二つのモータ３１，３２に低速用モータ３１と高速用モータ３２を用いると共に、低速用モータ３１を遊星歯車機構３４の太陽歯車３８に、高速用モータ３２を内歯車４０にそれぞれ接続し、かつ方向変換部３３を遊星歯車３９に接続した構成をとるようにしたので、結晶材料（原料棒１９と種結晶棒２０）の移動速度を異なる二つのレンジで設定することができる。従って、単結晶成長時とそれ以外の時（位置決め時等）とで、それぞれ適切な移動速度を設定することができ、より効率よく結晶の成長を図ることが可能となる。

【0055】

また、移動装置（第一駆動装置１２、第二駆動装置１３）が上記構成をとる場合、加熱成長工程Ｓ２時の主たる移動速度レンジに対応する低速用モータ３１から遊星歯車機構３４に一定方向（例えば下方向）及び一定回転数の回転運動が入力されている状態で、通常、加熱成長工程Ｓ２時以外の工程時（例えば位置決め工程Ｓ３時）に使用する高速用モータ３２から遊星歯車機構３４に所定の回転運動が入力されるように、双方のモータ３１，３２を制御部３５によって制御することにより、以下のような作用効果を享受することが可能となる。すなわち、本実施形態のようにいわゆるフローティングゾーン法で単結晶を成長させる場合、原料棒１９と種結晶棒２０との当接部に形成される溶融帯２８の形態を如何に管理するかが重要となる。ここで、上述のようにして原料棒１９が固定される上結晶駆動軸２１と、種結晶棒２０が固定される下結晶駆動軸２２の何れか一方の移動速度を移動工程Ｓ５時と異ならせて（図７（ｃ）を参照）、双方の駆動軸２１，２２間の鉛直方向距離を一時的に変化させることで、溶融帯２８の形態、例えば高さ寸法Ｈ１を調整することができる。すなわち、この方法によれば、低速用モータ３１により全体としては原料棒１９及び種結晶棒２０を所定の方向（下方）に一定速度で移動させつつ、当該移動中に高速用モータ３２から付加された回転運動により原料棒１９と種結晶棒２０の相対位置を円滑に微調整することができる。また、その際の調整量を高速用モータ３２の回転数のみで調整することができる。よって、結晶の成長に係る溶融帯２８の形態をより高精度に制御して、所望の単結晶を安定的に得ることが可能となる。

【0056】

以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明に係る結晶成長装置及びこの装置を用いた結晶成長方法は、その趣旨を逸脱しない範囲において、上記以外の構成を採ることも可能である。

【0057】

例えば各モータ３１，３２と遊星歯車機構３４との接続態様に関し、上記実施形態では、低速用モータ３１と太陽歯車３８、高速用モータ３２と内歯車４０をそれぞれ機械的に接続し、かつ方向変換部３３を遊星歯車３９に機械的に接続した場合を例示したが（図４を参照）、もちろん、これには限られない。各モータ３１，３２の種類、規格や、使用する減速機３６，３７の種類に応じて、例えば低速用モータ３１を内歯車４０、高速用モータ３２を太陽歯車３８に機械的に接続してもよい。また、図４に示すように、中間歯車４１を介して各モータ３１，３２と遊星歯車機構３４の各歯車３８～４０の何れか一つを機械的に接続してもよい。なお、この際、可能であれば、減速機３６，３７の一方又は双方を省略して、対応するモータを遊星歯車機構３４に直接的に接続してもよい。

【0058】

また、上記実施形態では、上結晶駆動軸２１を駆動する第一駆動装置１２と下結晶駆動軸２２を駆動する第二駆動装置１３の双方に本発明に係る動力伝達機構を適用した場合を例示したが、もちろんこれ以外の構成をとることも可能である。すなわち、第一駆動装置１２のみに本発明に係る動力伝達機構を適用してもよいし、第二駆動装置１３のみに本発明に係る動力伝達機構を適用してもよい。また、図１等に示すフローティングゾーン法により単結晶の成長を図る場合、第一駆動装置１２の高速用モータ３２を制御することで、溶融帯２８の形態（高さ寸法Ｈ１等）を調整してもよいし、第二駆動装置１３の高速用モータを制御することで、溶融帯２８の形態を調整してもよい。あるいは、第一駆動装置１２の高速用モータ３２及び第二駆動装置１３の高速用モータの双方を制御することで、溶融帯２８の形態を調整してもよい。

【0059】

また、以上の説明では、フローティングゾーン法により単結晶の成長を図る場合に、本発明に係る結晶成長装置及びこの装置を用いた結晶成長方法を適用した場合を例示したが、もちろんこれには限られない。例えば図示は省略するが、トップシード法あるいはチョクラルスキー法により単結晶の成長を図る場合に、本発明に係る結晶成長装置及びこの装置を用いた結晶成長方法を適用してもよい。もちろん、単結晶以外の結晶（例えばシリコン多結晶）の成長を図る場合に、本発明に係る結晶成長装置及びこの装置を用いた結晶成長方法を適用してもよいし、結晶化を意図しない用途（例えばゾーンリファイン）に、本発明に係る結晶成長装置及びこの装置を用いた結晶成長方法を適用してもよい。

【符号の説明】

【0060】

１０ 結晶成長装置
１１ 加熱装置
１２ 第一駆動装置
１３ 第二駆動装置
１４，１５ 回転楕円面鏡
１６，１７ 赤外線ランプ
１８ 被加熱部
１９ 原料棒
２０ 種結晶棒
２１ 上結晶駆動軸
２２ 下結晶駆動軸
２３，２５ 空間
２４ 石英管
２６，２７ 保持部材
２８ 溶融帯
３１ 低速用モータ
３２ 高速用モータ
３３ 方向変換部
３４ 遊星歯車機構
３５ 制御部
３６，３７ 減速機
３８ 太陽歯車
３９ 遊星歯車
４０ 内歯車
４１ 中間歯車
４２ ボールねじ機構
４３ ボールねじ部
４４ キャリヤ
４５ ナット部
４６ 連結部材
４７ 回転用モータ
１００ 移動装置
１０１ 低速用モータ
１０２ 高速用モータ
１０３ ボールねじ機構
１０４ 歯車機構
１０５，１０６ 減速機
１０７，１０８ ラッチ機構
１０９ ボールねじ
１１０ 中間歯車
１１１ 第一歯車
１１２ 第二歯車
１１３ ナット部
Ｆ０ 焦点（被加熱側）
Ｆ１，Ｆ２ 焦点（加熱側）
Ｈ１ 高さ寸法（溶融帯）
Ｓ１ 準備工程
Ｓ２ 加熱成長工程
Ｓ３ 位置決め工程
Ｓ４ 予備加熱工程
Ｓ５ 移動工程
Ｓ６ 位置調整工程
Ｘ１ 軸線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】