特許 7367958 レーザ加工装置

(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】2023-10-16

(45)【発行日】2023-10-24

(54)【発明の名称】レーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/00 20140101AFI20231017BHJP

【ＦＩ】

B23K26/00 P

B23K26/00 N

【請求項の数】 22

(21)【出願番号】P 2019128640

(22)【出願日】2019-07-10

(65)【公開番号】P2021013937

(43)【公開日】2021-02-12

【審査請求日】2022-06-08

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】金子 良夫

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－２６１５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】再公表特許第２００８／０８７９８４（ＪＰ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１８５９７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００３－０１０９８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１９９４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０２１９４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物にレーザ光を照射する１以上のレーザ照射部と、
前記レーザ光により加熱された前記対象物の温度を測定する温度測定部と、
前記対象物からの輻射光を透過する透過波長帯域と、前記レーザ光を遮断する遮断波長帯域と、を有する波長選択部と、
を備え、
前記温度測定部は、
前記輻射光に含まれる第１波長の光の強度である第１強度と、
前記輻射光に含まれ、前記第１波長と異なる第２波長の光の強度である第２強度と、
に基づいて、前記対象物の温度を測定し、
前記透過波長帯域は、前記遮断波長帯域よりも波長が小さい第１透過波長帯域と、前記遮断波長帯域よりも波長が大きい第２透過波長帯域と、を含み、
前記第１波長は、前記第１透過波長帯域に含まれ、
前記第２波長は、前記第２透過波長帯域に含まれる、
レーザ加工装置。

【請求項2】

対象物にレーザ光を照射する１以上のレーザ照射部と、
前記レーザ光により加熱された前記対象物の温度を測定する温度測定部と、
を備え、
前記温度測定部は、
前記対象物からの輻射光に含まれる第１波長の光の強度である第１強度と、
前記対象物からの輻射光に含まれ、前記第１波長と異なる第２波長の光の強度である第２強度と、
に基づいて、前記対象物の温度を測定し、
前記対象物は、原料棒と、結晶棒とを有し、
前記原料棒と前記結晶棒とは、前記原料棒の軸方向の端部と、前記結晶棒の軸方向の端部とが、予め定められた間隔で対向するように配置され、
前記レーザ照射部は、前記原料棒の前記端部と、前記結晶棒の前記端部とに前記レーザ光を照射し、
溶融移動浮遊帯域法により、成長させる結晶とは異なる成分のフラックス材料を用いて前記結晶を成長させる場合において、前記原料棒の前記端部と前記結晶棒の前記端部とが溶融した溶融帯の温度に基づいて、前記溶融帯におけるフラックス濃度の偏りを判定し、
前記フラックス濃度の前記偏りは、前記原料棒と前記結晶棒とが前記間隔で対向する方向に交差する方向における偏りである、
レーザ加工装置。

【請求項3】

前記溶融帯における前記フラックス濃度の前記偏りに基づいて、溶融移動浮遊帯域法により、前記結晶を成長させる時間を推定する、請求項２に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

前記温度測定部は、前記溶融帯の組成と、前記原料棒と前記結晶棒とが溶融する温度との関係を算出し、算出した前記関係に基づいて前記溶融帯の温度を決定する、請求項２または３に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

前記輻射光を透過する透過波長帯域と、前記レーザ光を遮断する遮断波長帯域と、を有する波長選択部をさらに備え、
前記第１波長および前記第２波長は、前記透過波長帯域に含まれる、
請求項２から４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項6】

前記透過波長帯域は、前記遮断波長帯域よりも波長が小さい第１透過波長帯域と、前記遮断波長帯域よりも波長が大きい第２透過波長帯域と、を含み、
前記第１波長は、前記第１透過波長帯域に含まれ、
前記第２波長は、前記第２透過波長帯域に含まれる、
請求項５に記載のレーザ加工装置。

【請求項7】

前記遮断波長帯域における、前記レーザ光の光学密度は４以上であり、
前記透過波長帯域における、前記第１波長の前記輻射光の透過率、および、前記第２波長の前記輻射光の透過率は、３０％以上である、
請求項１、５および６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項8】

前記波長選択部は、複数種類の誘電体が積層された積層膜、または、前記レーザ光の偏光方向に直交する方向に配置された偏光素子である、請求項１および５から７のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項9】

前記温度測定部は、前記第１強度と前記第２強度との比に基づいて、前記対象物の前記温度を測定する、請求項１から８のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項10】

前記温度測定部は、
前記第１波長の光に感度を有する第１センサと、
前記第２波長の光に感度を有する第２センサと、
を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項11】

前記輻射光を前記第１センサおよび前記第２センサに集光するレンズをさらに備える、請求項１０に記載のレーザ加工装置。

【請求項12】

前記温度測定部は、前記対象物の種類に基づいて、前記第１センサの感度と前記第２センサの感度とを校正する、請求項１０または１１に記載のレーザ加工装置。

【請求項13】

前記温度測定部は、前記対象物の種類に基づいて、前記対象物の前記温度を補正する、請求項１から１２のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項14】

前記温度測定部は、前記第１強度と前記対象物の温度との第１の関係、および、前記第２強度と前記対象物の温度との第２の関係を、前記対象物の種類ごとに予め記憶した記憶部をさらに有し、
前記温度測定部は、前記記憶部に記憶された前記第１の関係および前記第２の関係の少なくとも一方に基づいて、前記対象物の前記温度を補正する、
請求項１３に記載のレーザ加工装置。

【請求項15】

前記温度測定部は、前記対象物における、前記レーザ光が照射される領域の少なくとも一部の領域の温度を測定する、請求項１から１４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項16】

前記温度測定部は、前記レーザ光が照射される前記領域において、前記少なくとも一部の領域の位置を変更可能である、請求項１５に記載のレーザ加工装置。

【請求項17】

前記レーザ光の出力を制御する出力制御部をさらに備え、
前記出力制御部は、前記温度測定部により測定された前記対象物の前記温度の変化に応じて、前記レーザ光の出力を制御する、
請求項１から１６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項18】

前記出力制御部は、ＰＩＤ制御方式で前記レーザ光の出力を制御する、請求項１７に記載のレーザ加工装置。

【請求項19】

前記出力制御部は、
前記温度測定部により測定された前記対象物の前記温度が、予め定められた温度以下となるように前記レーザ光の出力を制御し、
前記対象物の前記温度が前記予め定められた温度を超えた場合に、前記レーザ光の出力を停止し、または、異常警報を発生する、
請求項１７または１８に記載のレーザ加工装置。

【請求項20】

前記対象物における溶融帯の映像を取得する溶融帯監視部をさらに備え、
前記出力制御部は、前記溶融帯監視部により取得された前記溶融帯の前記映像に基づいて、前記レーザ光の出力を制御する、
請求項１７から１９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

【請求項21】

前記溶融帯監視部は、前記対象物の映像を取得するカメラと、前記対象物からの輻射光を減衰させる光学フィルタと、を有し、
前記光学フィルタは、２つの偏光子を含む、
請求項２０に記載のレーザ加工装置。

【請求項22】

前記２つの偏光子の一方は、前記カメラに対して偏光軸を固定して配置された固定偏光子であり、
前記２つの偏光子の他方は、前記カメラに対する偏光軸の向きを回転させる機構を有する回転偏光子である、
請求項２１に記載のレーザ加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

加熱レーザ光を用いたレーザ加工装置が急速に普及している。（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２０１６－１９９４１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

加熱レーザ光を用いたレーザ加工装置において、微少領域の加工部の温度を正確に非接触で計測することは大きな開発課題である。特許文献１に記載された放射温度計は、加熱された領域（被測定部位）からの輻射光強度を計測することにより、被測定部位の温度を非接触且つリアルタイムで計測できる。

【0004】

特許文献１に開示された方法は、加熱レーザ光の強度が弱い場合は被測定部位の温度を正確に計測しやすい。しかしながら、特許文献１に開示された方法においては、加熱レーザ光の強度が強い場合、被測定部位から反射した加熱レーザ光が無視できない強度となりやすい。このため、測定部は加熱部の輻射光と加熱レーザ光の反射光を同時に計測してしまう場合がある。このため、当該測定部は、強い加熱レーザ光の被測定部位からの反射光により、被測定部位の温度を誤った温度に測定してしまう場合がある。

【0005】

また、測定部と被測定部位との間に被測定部位から発生した蒸発物が存在すると、被測定部位から発生する輻射光強度が減少しやすい。特許文献１に開示された方法においては、この蒸発物の存在により輻射光の強度が減少すると、測定部は、被測定部位の温度が実際には低下していない場合であっても、被測定部位の温度を実際の温度よりも低く測定しやすい。このため、特許文献１に開示された方法においては、被測定部位の温度を正確に計測することが困難となる場合があった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１の態様においては、レーザ加工装置を提供する。レーザ加工装置は、対象物にレーザ光を照射する１以上のレーザ照射部と、レーザ光により加熱された前記対象物の温度を測定する温度測定部と、を備える。温度測定部は、対象物からの輻射光に含まれる第１波長の光の強度である第１強度と、対象物からの輻射光に含まれ、第１波長と異なる第２波長の光の強度である第２強度とに基づいて、対象物の温度を測定する。

【0007】

温度測定部は、第１強度と第２強度との比に基づいて、対象物の温度を測定してよい。

【0008】

レーザ加工装置は、輻射光を透過する透過波長帯域と、レーザ光を遮断する遮断波長帯域と、を有する波長選択部をさらに備えてよい。第１波長および第２波長は、透過波長帯域に含まれてよい。

【0009】

透過波長帯域は、遮断波長帯域よりも波長が小さい第１透過波長帯域と、遮断波長帯域よりも波長が大きい第２透過波長帯域と、を含んでよい。第１波長は、第１透過波長帯域に含まれてよい。第２波長は、第２透過波長帯域に含まれてよい。

【0010】

遮断波長帯域における、レーザ光の光学密度は４以上であてよい。透過波長帯域における、第１波長の輻射光の透過率、および、第２波長の輻射光の透過率は、３０％以上であってよい。

【0011】

波長選択部は、複数種類の誘電体が積層された積層膜、または、レーザ光の偏光方向に直交する方向に配置された偏光素子であってよい。

【0012】

温度測定部は、第１波長の光に感度を有する第１センサと、第２波長の光に感度を有する第２センサと、を有してよい。

【0013】

温度測定部は、対象物の種類に基づいて、第１センサの感度と第２センサの感度とを校正してよい。

【0014】

温度測定部は、対象物の種類に基づいて、対象物の前記温度を補正してもよい。

【0015】

温度測定部は、第１強度と対象物の温度との第１の関係、および、第２強度と対象物の温度との第２の関係を、対象物の種類ごとに予め記憶した記憶部をさらに有してよい。温度測定部は、記憶部に記憶された第１の関係および第２の関係の少なくとも一方に基づいて、対象物の温度を補正してよい。

【0016】

温度測定部は、対象物における、レーザ光が照射される領域の少なくとも一部の領域の温度を測定してよい。

【0017】

温度測定部は、レーザ光が照射される領域において、少なくとも一部の領域の位置を変更可能であってよい。

【0018】

レーザ加工装置は、レーザ光の出力を制御する出力制御部をさらに備えてよい。出力制御部は、温度測定部により測定された対象物の温度の変化に応じて、レーザ光の出力を制御してよい。

【0019】

出力制御部は、ＰＩＤ制御方式でレーザ光の出力を制御してよい。

【0020】

出力制御部は、温度測定部により測定された対象物の温度が、予め定められた温度以下となるようにレーザ光の出力を制御してよい。出力制御部は、対象物の温度が予め定められた温度を超えた場合に、レーザ光の出力を停止し、または、異常警報を発生してよい。

【0021】

レーザ加工装置は、対象物における溶融帯の映像を取得する溶融帯監視部をさらに備えてよい。出力制御部は、溶融帯監視部により取得された溶融帯の映像に基づいて、レーザ光の出力を制御してよい。

【0022】

溶融帯監視部は、対象物の映像を取得するカメラと、対象物からの輻射光を減衰させる光学フィルタと、を有してよい。光学フィルタは、２つの偏光子を含んでよい。

【0023】

２つの偏光子の一方は、カメラに対して偏光軸を固定して配置された固定偏光子であってよい。２つの偏光子の他方は、カメラに対する偏光軸の向きを回転させる機構を有してよい。

【0024】

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の一つの実施形態に係るレーザ加工装置１００の一例を示す斜視図である。

【図2】レーザ光３のスペクトルを示す図である。

【図3】レーザ加工装置１００の上面の一例を示す図である。

【図4】図３における透過部１０および光学系５０を、ＸＹ面内において輻射光８の進行方向に対して垂直な方向から見た拡大図である。

【図5】加熱された材料からの輻射光の波長と強度との関係を示す図である。

【図6】黒体からの輻射光の波長と強度との関係を黒体の温度ごとに示す図である。

【図7】黒体の温度Ｔと比Ｒとの関係を示す図である。

【図8】波長選択部５１における透過スペクトルの一例を示す図である。

【図9】図４における溶融帯４の拡大図である。

【図10】溶融帯４の温度Ｔの経過時間依存性を示す図である。

【図11】溶融帯監視部５４の一例を示す図である。

【図12】図３における透過部１０および光学系５０を、ＸＹ面内において輻射光８の進行方向に対して垂直な方向から見た他の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0027】

図１は、本発明の一つの実施形態に係るレーザ加工装置１００の一例を示す斜視図である。レーザ加工装置１００は、１以上のレーザ照射部２０と、温度測定部５３とを備える。本例のレーザ加工装置１００は、５つのレーザ照射部２０（レーザ照射部２０－１～レーザ照射部２０－５）を備える。レーザ照射部２０は、対象物１４にレーザ光３を照射する。温度測定部５３は、レーザ光３により加熱された対象物１４の温度を測定する。温度測定部５３における対象物１４の温度測定の詳細については、後述する。

【0028】

本例のレーザ加工装置１００は、光学台１４０およびファイバ３０をさらに備える。光学台１４０は、板状の部材であってよい。本例のレーザ加工装置１００は、５つのファイバ３０（ファイバ３０－１～ファイバ３０－５）を備える。

【0029】

本明細書においては、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の直交座標軸を用いて技術的事項を説明する場合がある。本明細書においては、光学台１４０の板状の平面と平行な面をＸＹ面とし、ＸＹ面に垂直な方向をＺ軸とする。本明細書において、ＸＹ面内における所定の方向をＸ軸方向とし、ＸＹ面内においてＸ軸に直交する方向をＹ軸方向とする。

【0030】

５つのレーザ照射部２０は、Ｚ軸方向において同じ位置に配置されてよい。言い換えると、５つのレーザ照射部２０は同一のＸＹ面内に配置されてよい。レーザ照射部２０から照射されるレーザ光３の方向は、ＸＹ面と平行であってよい。５つのレーザ照射部２０の位置決めに関しては、後述する。

【0031】

本明細書において、Ｚ軸方向における対象物保持部１１－１側を「上」、対象物保持部１１－２側を「下」と称する。対象物保持部１１－１および対象物保持部１１－２については後述する。Ｚ軸方向は、重力方向であってよい。ＸＹ面は、水平方向と平行であってよい。本明細書において上面視とは、レーザ加工装置１００をＺ軸方向に対象物保持部１１－１から対象物保持部１１－２の方向に見た場合を指す。

【0032】

本例のレーザ加工装置１００は、レーザ電源１１０および半導体レーザ装置１２０をさらに備える。半導体レーザ装置１２０は、レーザ電源１１０からの電源電力により駆動する。半導体レーザ装置１２０は、レーザ光５を生成する。本例のレーザ光５の波長帯域は、赤外帯域である。レーザ光５の波長帯域は、可視帯域であってもよい。

【0033】

本例のレーザ加工装置１００は、５つのレーザ電源１１０（レーザ電源１１０－１～レーザ電源１１０－５）および５つの半導体レーザ装置１２０（半導体レーザ装置１２０－１～半導体レーザ装置１２０－５）を備える。本例において、半導体レーザ装置１２０－１～半導体レーザ装置１２０－５は、それぞれレーザ電源１１０－１～レーザ電源１１０－５からの電源電力により駆動する。半導体レーザ装置１２０－１～半導体レーザ装置１２０－５は、それぞれレーザ光５－１～レーザ光５－５を生成する。半導体レーザ装置１２０－１～半導体レーザ装置１２０－５は、レーザ光５－１～レーザ光５－５をそれぞれファイバ３０－１～ファイバ３０－５に入射させる。半導体レーザ装置１２０－１～半導体レーザ装置１２０－５は、ファイバ３０－１～ファイバ３０－５を伝搬したレーザ光５－１～レーザ光５－５を、それぞれレーザ照射部２０－１～レーザ照射部２０－５に入射させる。

【0034】

本例のレーザ加工装置１００は、透過部１０および対象物保持部１１をさらに備える。透過部１０は、レーザ照射部２０から照射されるレーザ光３を透過する材料で形成される。本例の透過部１０は、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなるアモルファス構造の石英ガラスである。本例において、レーザ照射部２０から照射されたレーザ光３は、透過部１０を透過して対象物１４に照射される。透過部１０は、Ｚ軸を中心軸とする円柱状であってよい。

【0035】

レーザ加工装置１００は、透過部１０の内部に対象物１４の材料等に応じたガスを導入してよい。レーザ加工装置１００は、透過部１０の内部に酸化性ガスまたは還元性ガスを導入してよい。レーザ加工装置１００は、透過部１０の内部に導入された当該ガスの圧力を所定の圧力に調整してよい。レーザ加工装置１００は、透過部１０の内部を真空にしてもよい。

【0036】

本例のレーザ加工装置１００は、２つの対象物保持部１１（対象物保持部１１－１および対象物保持部１１－２）を備える。２つの対象物保持部１１は、透過部１０の内部に配置されてよい。対象物保持部１１－２は、Ｚ軸方向においてレーザ照射部２０を基準に光学台１４０側に配置される対象物保持部１１である。対象物保持部１１－１は、Ｚ軸方向においてレーザ照射部２０を基準に光学台１４０とは反対側に配置される対象物保持部１１である。言い換えると、対象物保持部１１－１および対象物保持部１１－２は、Ｚ軸方向においてレーザ照射部２０を挟んで配置される。

【0037】

対象物保持部１１は、Ｚ軸に平行な方向を中心軸とする円柱状であってよい。対象物保持部１１－１の中心軸の位置と対象物保持部１１－２の中心軸の位置は、ＸＹ面内において一致してよい。対象物保持部１１－１および対象物保持部１１－２は、透過部１０の内部においてそれぞれ対象物１４－１および対象物１４－２を保持する。

【0038】

対象物１４－１は、例えば原料棒１６である。原料棒１６は、円柱状に焼結された多結晶である。原料棒１６の直径は、例えば２ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。対象物１４－２は、例えば結晶棒１８である。結晶棒１８は、円柱状に形成された単結晶である。原料棒１６は、結晶棒１８と同じ材料で形成される。

【0039】

原料棒１６の中心軸と結晶棒１８の中心軸とは、ＸＹ面内において同じ位置に配置される。Ｚ軸方向において、原料棒１６の下側の先端と、結晶棒１８の上側の先端とは、所定の間隔で対向して配置される。レーザ照射部２０は、原料棒１６の当該先端と、結晶棒１８の当該先端とにレーザ光３を照射する。レーザ光３の照射により原料棒１６の当該先端の温度と結晶棒１８の当該先端の所定温度（例えば３００℃）以上となると、原料棒１６の当該先端と結晶棒１８の当該先端は溶融する。これにより、Ｚ軸方向における原料棒１６の当該先端と、結晶棒１８の当該先端との間には、溶融帯４が形成される。溶融帯４の温度は、例えば３００℃以上２０００℃以下である。

【0040】

本例における５つのレーザ照射部２０は、ＸＹ面内において透過部１０を中心に放射状に配置される。レーザ照射部２０は、ファイバ３０から入射されたレーザ光５の照射強度分布を整形する。レーザ照射部２０は、当該レーザ光５の照射強度分布を、それぞれ略四角形状に整形してよい。レーザ照射部２０は、照射強度分布が略四角形状に整形されたレーザ光３を出射する。レーザ光３の強度は、例えば２００Ｗである。

【0041】

本例においては、５つのレーザ光３のＺ軸方向における位置が原料棒１６および結晶棒１８の中心軸上に一致するように、５つのレーザ照射部２０のＺ軸方向における位置およびＸＹ面内における方向が調整される。５つのレーザ照射部２０の当該位置および当該方向が調整された後、レーザ光３の照射形状および強度分布が、それぞれ所望の照射形状および強度分布であることが、赤外センサ等で確認される。

【0042】

レーザ加工装置１００は、対象物保持部１１－１および対象物保持部１１－２を、それぞれの中心軸を中心に一方の方向および他方の方向に回転させる。対象物保持部１１－１に保持された原料棒１６は、対象物保持部１１－１の回転に伴い回転する。対象物保持部１１－２に保持された結晶棒１８は、対象物保持部１１－２の回転に伴い回転する。図１に、対象物保持部１１の回転方向が太い矢印にて示されている。本例において、レーザ加工装置１００は対象物保持部１１－１および対象物保持部１１－２を、上面視で反時計回りおよび時計回りに、それぞれ回転させる。

【0043】

対象物保持部１１は、１０ｒｐｍ以上６０ｒｐｍ以下で回転してよい。本例の対象物保持部１１は、２０ｒｐｍで回転する。対象物保持部１１－１と対象物保持部１１－２とは、同じ速さで回転してよく、異なる速さで回転してもよい。原料棒１６と結晶棒１８とが共に回転することにより、溶融帯４の温度の均一性が向上しやすくなる。

【0044】

レーザ加工装置１００は、溶融帯４が所定温度に安定化した状態で対象物保持部１１－１および対象物保持部１１－２をＺ軸方向における同一の方向に移動させる。本例においては、対象物保持部１１－１および対象物保持部１１－２をＺ軸方向における上側から下側への方向に移動させる。これにより、レーザ加工装置１００は、結晶棒１８の上方に単結晶を成長させることができる。

【0045】

なお、本例のレーザ加工装置１００は、単結晶化する原料を保持する坩堝を必要としないので、成長した単結晶には当該坩堝の材料からの不純物が含まれない。このため、本例のレーザ加工装置１００は高融点化合物の単結晶を成長させることができる。

【0046】

図２は、レーザ光３のスペクトルを示す図である。従来、共焦点楕円体の内部にハロゲンランプの光を照射する浮遊溶融帯結晶作成方法が知られている。図２においては、この比較例のハロゲンランプの光のスペクトルが、比較例として合わせて示されている。ハロゲンランプの光のスペクトルは、波長約３００ｎｍ～約３３００ｎｍの帯域にわたり広がっている。なお、レーザ光３のスペクトルも、実際には所定の帯域に広がっているが、ハロゲンランプのスペクトルと比較すると、当該所定の帯域の広がりは小さい。このため、図２においてレーザ光３のスペクトルは直線で示されている。

【0047】

レーザ光３のスペクトルにおける中心波長λＬは、例えば９７５ｎｍである。これに対して、図２に示されるとおり、比較例のハロゲンランプの光のスペクトルにおいて光の強度が最大値を示す波長は、１０００ｎｍ（１μｍ）である。９７５ｎｍ～１μｍの波長の光は、金属を溶融させるのに最適であることが知られている。このため、対象物１４が金属である場合、レーザ光３のスペクトルにおける中心波長λＬは、ハロゲンランプのスペクトルにおいて光の強度が最大値を示す波長に近い９７５ｎｍであることが好ましい。なお、対象物１４がセラミックである場合、セラミックを溶融させるためには、レーザ光３の中心波長λＬは１μｍよりも長波長であることが好ましい。しかしながら、レーザ光３が、中心波長λＬが１μｍの光であっても、セラミックにおける吸収率は３０％以上であるので、対象物１４がセラミックである場合においても、レーザ光３の波長は１μｍであってもよい。

【0048】

また、一般にレーザ光はハロゲンランプの光よりも電気エネルギーを光エネルギーに変換する効率が高い。レーザ光における当該効率は、４０％である場合がある。このため、省エネルギーの観点からは、対象物１４を溶融させるための光は、レーザ光であることが好ましい。

【0049】

図３は、レーザ加工装置１００の上面の一例を示す図である。本例において、５つのレーザ照射部２０は上面視で透過部１０を中心に放射状に配置される。透過部１０の上面視における中心位置を位置Ｃとする。上述したように、５つのレーザ照射部２０のＺ軸方向における位置およびＸＹ面内における方向は、当該５つのレーザ照射部２０のそれぞれから照射される５つのレーザ光３が中心Ｃを通るように調整される。本例において、レーザ照射部２０－１は、当該レーザ照射部２０－１から照射されるレーザ光３の方向がＹ軸方向に平行になるように配置されている。本例のレーザ照射部２０－１～レーザ照射部２０－５は、順に時計回りに配置されている。なお、原料棒１６の中心軸と結晶棒１８の中心軸も、中心Ｃに配置される。

【0050】

５つのレーザ照射部２０は、上面視で正五角形状に配置されてよい。言い換えると、２つの隣り合うレーザ照射部２０（例えばレーザ照射部２０－１とレーザ照射部２０－２）のそれぞれから照射されるレーザ光３が中心Ｃにおいてなす角度は、７２°であってよい。

【0051】

本例のレーザ加工装置１００は、５つのダンパ４０（ダンパ４０－１～ダンパ４０－５）をさらに備える。ダンパ４０は、水冷機構を有する。ダンパ４０は、レーザ光３の一部を吸収する。ダンパ４０－１～ダンパ４０－５は、透過部１０を挟んでＸＹ面内においてそれぞれレーザ照射部２０－１～レーザ照射部２０－５と対向する位置に配置される。即ち、ダンパ４０－１～ダンパ４０－５は、レーザ照射部２０－１～レーザ照射部２０－５からそれぞれ照射されたレーザ光３の一部を、それぞれ吸収する。ダンパ４０がレーザ光３の一部を吸収することで、本例のレーザ加工装置１００はレーザ光３によるレーザ加工装置１００の損傷を抑制できる。

【0052】

本例のレーザ加工装置１００は、溶融帯監視部５４をさらに備える。溶融帯監視部５４は、対象物１４における溶融帯４を監視する。本例の溶融帯監視部５４は、カメラ５５と光学フィルタ５６とを有する。カメラ５５は、対象物１４の映像を取得する。光学フィルタ５６は、対象物１４からの輻射光を減衰させる。

【0053】

光学フィルタ５６は、偏光子５７を含む。本例の光学フィルタ５６は、２つの偏光子５７（偏光子５７－１および偏光子５７－２）を含んでいる。

【0054】

対象物１４にレーザ光３が照射されると、対象物１４からは黒体輻射により輻射光が放射される。本例においては、原料棒１６と結晶棒１８とが溶融した溶融帯４から輻射光が放射される。この輻射光は、中心Ｃの位置から放射状に放射される。

【0055】

偏光子５７は、溶融帯４からカメラ５５への輻射光７の光路上に配置される。偏光子５７－１および偏光子５７－２は、輻射光７の光路上において溶融帯４側およびカメラ５５側に、それぞれ配置される。溶融帯監視部５４については、後述する。

【0056】

本例のレーザ加工装置１００は、光学系５０をさらに備える。温度測定部５３は、光学系５０に含まれる。光学系５０は、波長選択部５１およびレンズ５２を有する。波長選択部５１およびレンズ５２は、溶融帯４から温度測定部５３への輻射光８の光路上に配置される。温度測定部５３は、溶融帯４からの輻射光８を受光することにより、溶融帯４の温度を測定する。本例において、波長選択部５１およびレンズ５２は輻射光８の光路上における溶融帯４側および温度測定部５３側に、それぞれ配置される。

【0057】

本例のレーザ加工装置１００は、出力制御部７０をさらに備える。出力制御部７０は、レーザ照射部２０から照射されるレーザ光３の出力を制御する。出力制御部７０は、温度測定部５３により測定された対象物１４の温度の変化に応じて、レーザ光３の出力を制御してよい。本例の出力制御部７０は、レーザ電源１１０－１～レーザ電源１１０－５のそれぞれの出力を制御する。出力制御部７０は、レーザ電源１１０－１～レーザ電源１１０－５のそれぞれの出力を独立に制御してよい。出力制御部７０の詳細については、後述する。

【0058】

図４は、図３における透過部１０および光学系５０を、ＸＹ面内において輻射光８の進行方向に対して垂直な方向から見た拡大図である。輻射光８は溶融帯４から放射される。本例において、溶融帯４から放射された輻射光８は波長選択部５１およびレンズ５２を、この順に通過する。レンズ５２は、輻射光８を集光する。本例の温度測定部５３は、レンズ５２により集光された輻射光８を受光する。

【0059】

対象物１４（本例においては溶融帯４）における、レーザ光３が照射される領域を領域２５とする。領域２５は、Ｚ軸方向において溶融帯４の上端から下端までの領域である。領域２５の少なくとも一部の領域を領域２６とする。領域２６は、温度測定の対象である領域である。レンズ５２は、領域２６の温度を測定するために配置される。領域２５および領域２６の形状は、Ｚ軸方向に垂直な方向から見て、例えば円状である。当該円状の領域２５および領域２６の大きさは、例えばそれぞれ直径６ｍｍおよび直径１～２ｍｍである。当該領域２５のＺ軸方向における幅は、例えば４ｍｍである。また、上面視における領域２５の大きさと原料棒１６の大きさは等しくてよく、上面視における領域２５の大きさと結晶棒１８の大きさは等しくてよい。

【0060】

領域２６の位置は、レーザ光３の経路および光学系５０の位置に基づいて決定されてよい。後述するように、結晶棒１８の上方への単結晶の成長に伴い、溶融帯４のＸＹ平面内における位置が移動する場合がある。この場合においても、領域２６の位置は固定されていてよい。

【0061】

本例の温度測定部５３は、ビームスプリッタ６０、並びに第１センサ６２および第２センサ６４を有する。温度測定部５３が受光した輻射光８を輻射光９とする。輻射光９は、ビームスプリッタ６０により２つの輻射光９（輻射光９－１および輻射光９－２）に分割される。

【0062】

第１センサ６２は、対象物１４（本例においては溶融帯４）からの輻射光９－１に含まれる第１波長λ１の光に感度を有する。第２センサ６４は、対象物１４（本例においては溶融帯４）からの輻射光９－２に含まれる第２波長λ２の光に感度を有する。第１波長λ１と第２波長λ２とは、異なる。レンズ５２は、輻射光８を第１センサ６２および第２センサ６４に集光する。

【0063】

図５は、黒体（加熱された材料）からの輻射光の波長と強度との関係を示す図である。黒体からの輻射光の波長と強度との関係は、下記に示されるマックス・プランク（Ｍａｘ Ｐｌａｎｃｋ）の法則に従う。

【数1】

Ｉ_λ（Ｔ）は分光放射輝度（輻射光の強度）、λは輻射光の波長、ｃは光速度、ｈはプランク定数、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。図５には、黒体の絶対温度がＴａ、ＴｂおよびＴｃ（Ｔａ＜Ｔｂ＜Ｔｃ）の場合における輻射光の波長と強度との関係を、それぞれ上記（１）式から算出した結果が示されている。

【0064】

黒体の温度がＴａ、ＴｂおよびＴｃの場合における、当該黒体からの輻射光の強度の最大値を、それぞれＩａ、ＩｂおよびＩｃとする。また、当該黒体からの輻射光の強度が最大値Ｉａ、ＩｂおよびＩｃを示す場合における波長を、それぞれλａ、λｂおよびλｃとする。図５に示されるとおり、黒体からの輻射光の強度は所定の波長においてピークを示す。黒体の温度が高いほど、この輻射光の強度は大きい。また、黒体の温度が高いほど、輻射光の強度がピークを示す波長は小さい。即ち、Ｉａ＜Ｉｂ＜Ｉｃであり、且つ、λａ＞λｂ＞λｃである。

【0065】

図６は、黒体からの輻射光の波長と強度との関係を黒体の温度ごとに示す図である。（ａ）～（ｅ）は、それぞれ黒体の温度Ｔが絶対温度Ｔ１～Ｔ５（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４＜Ｔ５）の場合における輻射光の波長と強度との関係である。絶対温度Ｔ１～Ｔ５は、例えばそれぞれ３００Ｋ、７７３Ｋ、１２７３Ｋ、１７７３Ｋおよび２２７３Ｋである。図６においては、第１センサ６２が感度を有する第１波長λ１、および、第２センサ６４が感度を有する第２波長λ２が、合わせて示されている。また、図６においてはレーザ照射部２０から照射されるレーザ光３の中心波長λＬが、合わせて示されている。

【0066】

図６に示されるとおり、黒体の温度Ｔが高いほど黒体からの輻射光の強度がピークを示す波長は小さい。言い換えると、黒体の温度Ｔが上昇するほど、黒体からの輻射光の強度がピークを示す波長は短波長側にシフトする。

【0067】

対象物１４からの輻射光に含まれる、第１波長λ１の光の強度および第２波長λ２の光の強度を、それぞれ第１強度Ｉ１および第２強度Ｉ２とする。温度測定部５３は、強度Ｉ１および強度Ｉ２に基づいて対象物１４の温度を測定する。

【0068】

第１センサ６２は、例えばＳｉ（シリコン）センサである。第１センサ６２がＳｉ（シリコン）センサである場合、第１波長λ１は例えば０．９μｍである。第２センサ６４は、例えばＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・ヒ素）センサである。第２センサ６４がＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・ヒ素）センサである場合、第２波長λ２は例えば１．５５μｍである。

【0069】

本例においては、第１センサ６２（Ｓｉ（シリコン）センサ）および第２センサ６４（ＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・ヒ素）センサ）は、溶融帯４からの輻射光８に含まれる光の強度を測定する。溶融帯４の温度ＴがＴ３～Ｔ５それぞれの場合について、溶融帯４からの輻射光８の第１波長λ１における強度を、それぞれＩ１－３、Ｉ１－４およびＩ１－５とする。溶融帯４の温度ＴがＴ２～Ｔ５それぞれの場合について、溶融帯４からの輻射光８の第２波長λ２における強度を、それぞれＩ２－２、Ｉ２－３、Ｉ２－４およびＩ２－５とする。なお、溶融帯４の温度ＴがＴ１の場合、溶融帯４からの輻射光８は第１波長λ１および第２波長λ２において微弱であるので、当該輻射光８は観測されない。また、溶融帯４の温度ＴがＴ２の場合、溶融帯４からの輻射光８は第１波長λ１において微弱であるので、当該輻射光８は観測されない。

【0070】

溶融帯４からの輻射光８の強度がピークを示す波長は、溶融帯４の温度Ｔが上昇するほど短波長側にシフトする。このため、温度測定部５３は第１強度Ｉ１および第２強度Ｉ２を測定することにより、溶融帯４の温度Ｔを測定できる。

【0071】

第１強度Ｉ１と第２強度Ｉ２との比を比Ｒ（＝Ｉ１／Ｉ２）とする。図７は、黒体の温度Ｔと比Ｒとの関係を示す図である。図７に示されるとおり、比Ｒは温度Ｔに依存する。温度測定部５３は、比Ｒに基づいて対象物１４の温度Ｔを測定してもよい。

【0072】

レーザ光３で溶融帯４を加熱する場合、溶融帯４からは蒸発ガスが発生しやすい。この蒸発ガスは、透過部１０の内壁に付着しやすい。透過部１０の内壁に付着した当該蒸着ガスは、溶融帯４から放射され透過部１０の外部に透過する輻射光８を減少させやすい。このため、透過部１０の内壁に当該蒸着ガスが付着している場合、温度測定部５３は、溶融帯４の温度Ｔを正確に測定しにくくなる。言い換えると、温度測定部５３は、溶融帯４の温度Ｔを、実際の温度Ｔとは異なる温度に誤測定しやすくなる。

【0073】

透過部１０の内壁に溶融帯４からの蒸発ガスが付着していることによる、第１波長λ１の光および第２波長λ２の光のそれぞれの減衰係数を、Ａ１およびＡ２とする。透過部１０の外部における、第１波長λ１における輻射光８の強度と、第２波長λ２における輻射光８の強度との比をηとする。ηは下式にて表される。

【数2】

【0074】

透過部１０が石英の場合、溶融帯４からの蒸発ガスが内部に付着することによる輻射光８の減衰効果は、当該輻射光８の波長に余り依存しない。このため、透過部１０が石英の場合、減衰係数Ａ１とＡ２とは等しいとしてよい。Ａ１＝Ａ２とすると、（２）式は以下のようになる。

【数3】

即ち、（２）式においてＡ１およびＡ２は相殺されるので、ηは比Ｒ（＝Ｉ１／Ｉ２）に等しくなる。

【0075】

上述したとおり、比Ｒは黒体の温度Ｔに依存する。本例においては、比Ｒは対象物１４（溶融帯４）の温度Ｔが増加するほど大きくなる。温度測定部５３は比Ｒを測定することにより、対象物１４（溶融帯４）における当該比Ｒに対応する温度Ｔを算出できる。このようにして、温度測定部５３は比Ｒに基づいて対象物１４の温度Ｔを測定できる。

【0076】

図８は、波長選択部５１における透過スペクトルの一例を示す図である。図８は、波長選択部５１に入射する輻射光８（図４参照）の波長と、当該輻射光８が波長選択部５１を透過する透過率Ｔｒとの関係を示している。波長選択部５１は、複数種類の誘電体が積層された積層膜、または、レーザ光３の偏光方向に直交する方向に配置された偏光素子であってよい。本例の波長選択部５１は、石英ガラスにＴａＯ_２（酸化タンタル）とＳｉＯ_２（酸化シリコン）とを交互に積層した多層膜である。

【0077】

波長選択部５１は、輻射光８を透過する透過波長帯域２２と、輻射光８を遮断する遮断波長帯域２４とを有する。本例において、第１センサ６２における第１波長λ１、および、第２センサ６４における第２波長λ２は、透過波長帯域２２に含まれる。

【0078】

本例の透過波長帯域２２は、第１透過波長帯域２２－１と第２透過波長帯域２２－２とを含む。本例において、第１透過波長帯域２２－１は遮断波長帯域２４よりも波長が小さく、第２透過波長帯域２２－２は遮断波長帯域２４よりも波長が大きい。言い換えると、本例の遮断波長帯域２４は、第１透過波長帯域２２－１と第２透過波長帯域２２－２とに挟まれている。第１波長λ１は第１透過波長帯域２２－１に含まれてよく、第２波長λ２は第２透過波長帯域２２－２に含まれてよい。

【0079】

レーザ光３の中心波長λＬは、遮断波長帯域２４に含まれてよい。波長選択部５１に入力される光には、溶融帯４からの輻射光８のほか、溶融帯４に照射されたレーザ光３が溶融帯４で反射したレーザ光３が含まれる。このため、レーザ光３の中心波長λＬが遮断波長帯域２４に含まれることで、レーザ加工装置１００は、溶融帯４で反射したレーザ光３の温度測定部５３への侵入を遮断できる。これにより、レーザ加工装置１００は温度測定部５３が受光する光に含まれる輻射光８の割合を増加できる。このため、レーザ加工装置１００は、溶融帯４の温度Ｔを正確に測定しやすくなる。

【0080】

波長選択部５１に入力される、遮断波長帯域２４における光の強度をＩ_０とする。当該光が波長選択部５１を透過した後における透過光の強度をＩ_Ｔとする。この場合において、波長選択部５１の遮断波長帯域２４における光学密度ＯＤ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）は、下式にて表される。

【数4】

光学密度ＯＤは（４）式から分かるとおり、ある物体に入射した光が当該物体を透過した場合に、当該物体に入射した光が当該物体を透過した後に、光の強度が弱まる程度を示す。

【0081】

遮断波長帯域２４におけるレーザ光３の光学密度ＯＤは４以上であることが好ましい。言い換えると、遮断波長帯域２４におけるレーザ光３の透過率は、０．０００１％以下であることが好ましい。遮断波長帯域２４におけるレーザ光３の光学密度ＯＤは４以上であることで、温度測定部５３は、溶融帯４の温度Ｔを実際の温度Ｔとは異なる温度に誤測定しにくくなる。特に本例のように、温度測定部５３がマックス・プランクの法則（（１）式参照）に従う輻射光における複数の異なる波長の光の強度により、溶融帯４の温度Ｔを測定する場合、波長選択部５１の遮断波長帯域２４は狭いことが好ましく、波長選択部５１の光学密度ＯＤは大きいことが好ましい。

【0082】

透過波長帯域２２における、第１波長λ１の輻射光８の透過率、および、第２波長λ２の輻射光８の透過率は、３０％以上であることが好ましい。透過波長帯域２２における、第１波長λ１の輻射光８の透過率、および、第２波長λ２の輻射光８の透過率が３０％以上であることで、温度測定部５３は溶融帯４の温度Ｔを正確に測定しやすくなる。

【0083】

図９は、図４における溶融帯４の拡大図である。単結晶には、結晶の方向性が存在する。このため、結晶棒１８の上方への単結晶の成長に伴い、溶融帯４が偏芯する場合がある。溶融帯４が偏芯する場合とは、溶融帯４の位置がＸＹ平面内において移動する場合を指す。

【0084】

領域２６の位置が固定されている場合、溶融帯４における領域２６の位置は、溶融帯４の移動に伴い変化する。領域２６からの輻射光８の強度は、領域２６が溶融帯４の中心に位置する場合と、領域２６が溶融帯４の端に位置する場合とで異なる場合がある。また、溶融帯４の移動に伴い、領域２６が溶融帯４の端に位置した場合、領域２６の一部が溶融帯４の外部に逸脱する場合がある。この場合においては、領域２６からの輻射光８の強度は、領域２６が溶融帯４の中心に位置する場合と比較して、小さくなりやすい。このような場合においても、第１波長λ１の光および第２波長λ２の光のそれぞれの減衰係数は、輻射光８の波長に余り依存しない。このため、式（２）および式（３）と同様の原理により、温度測定部５３は第１強度Ｉ１と第２強度Ｉ２との比Ｒ（＝Ｉ１／Ｉ２）を測定できる。このため、温度測定部５３は、溶融帯４の温度Ｔを正確に測定しやすい。

【0085】

レーザ光３で溶融帯４を加熱することにより溶融帯４から蒸発ガスが発生した場合、当該蒸発ガスの存在により輻射光８の強度が減衰する場合がある。この場合においても、この蒸発ガスの存在に基づく第１波長λ１の光および第２波長λ２の光のそれぞれの減衰係数は、輻射光８の波長に余り依存しない。このため、式（２）および式（３）と同様の原理により、温度測定部５３は第１強度Ｉ１と第２強度Ｉ２との比Ｒ（＝Ｉ１／Ｉ２）を測定できる。このため、温度測定部５３は、溶融帯４の温度Ｔを正確に測定しやすい。

【0086】

図１０は、溶融帯４の温度Ｔの経過時間依存性を示す図である。本例においては、出力制御部７０（図３参照）は、溶融帯４の温度Ｔの変化に応じてレーザ電源１１０の電源電力を制御する。これにより、出力制御部７０は半導体レーザ装置１２０が生成するレーザ光５（図１参照）の強度を制御する。図１０の例においては、出力制御部７０は時刻ｔ０以降、溶融帯４の温度Ｔを１５３５℃に保つように制御している。図１０より、本例においては、溶融帯４の温度Ｔは時刻ｔ０以降、±１℃未満の精度にて保持されていることが分かる。

【0087】

以上述べたように、本例のレーザ加工装置１００においては、温度測定部５３は対象物１４からの輻射光８に含まれる、第１波長λ１の光の第１強度Ｉ１と第２波長λ２の光の第２強度Ｉ２とに基づいて、対象物１４の温度を測定する。このように、輻射光８に含まれる複数の波長の光のそれぞれの強度を用いることにより、温度測定部５３は領域２６の温度を±１℃未満の精度で所定の温度に保つことができる。

【0088】

図２の説明において上述した従来の浮遊溶融帯結晶作成方法においては、共焦点楕円体の内部にハロゲンランプの光を照射する。この従来の浮遊溶融帯結晶作成方法においては、共焦点楕円体が溶融帯を囲むので、当該溶融帯の温度を観察することが困難である。

【0089】

溶融帯４の状態は、単結晶の成長に伴い変化し得る。例えば、溶融帯４のＸＹ面内における幅は、単結晶の成長に伴い減少しまたは増大する場合がある。例えば、溶融帯４のＸＹ面内における位置が、ＸＹ面内において揺らぐ場合がある。また、例えば溶融帯４の温度Ｔが低下することにより、原料棒１６および結晶棒１８の中心軸を中心とする回転が不連続になる場合がある。このような現象は、溶融帯４の状態が安定する温度Ｔの領域の下限または上限において観測されやすい。本例においては、温度測定部５３が溶融帯４の温度Ｔを±０．２℃以内の精度で検知できる。このため、本例のレーザ加工装置１００は、溶融帯４の状態が不安定となる前に溶融帯４の状態を検知できる。

【0090】

領域２６の大きさは、上述したように例えば直径１～２ｍｍである。本例においては、温度測定部５３は、輻射光８に含まれる複数の波長の光のそれぞれの強度を用いるので、領域２６のように微小な領域であっても、その領域の温度を±１℃未満の精度で所定の温度に保つことができる。このため、レーザ加工装置１００は溶融帯４を、結晶相図に示される所望の温度に正確に加熱できる。本例のレーザ加工装置１００のこの特性は、特に溶媒移動浮遊帯域（ＴＳＦＺ：Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｏｌｅｖｅｎｔ Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法により単結晶を育成する場合に有効である。ＴＳＦＺ法については、後述する。

【0091】

出力制御部７０は、レーザ光３の出力を自動制御してよい。出力制御部７０は、ＰＩＤ(Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ)制御方式でレーザ光３の出力を制御してもよい。ＰＩＤ制御とは、Ｐ（比例制御）、Ｉ（積分制御）およびＤ（微分制御）の３つの要素に基づいて、対象を制御する制御方式である。ＰＩＤ制御方式でレーザ光３の出力を制御することで、出力制御部７０は、レーザ光３の出力を精密に制御できる。

【0092】

例えば、単結晶の成長中に、何らかの原因により溶融帯４の液だれ等が発生し、溶融帯４が原料棒１６と結晶棒１８との間を外れて落下してしまう場合がある。また、地震が発生した場合に、同様に溶融帯４が落下してしまう場合がある。このような場合、温度測定部５３は、溶融帯４が消失して温度Ｔが急激に低下したと判断する。出力制御部７０は、温度測定部５３によるこの判断に基づいて、レーザ光３の出力を増加させてよい。

【0093】

なお、単結晶成長の初期段階においては、溶融帯４の温度Ｔは不安定である場合がある。溶融帯４の温度Ｔが不安定な場合、温度測定部５３により測定された溶融帯４の温度Ｔをモニターしながら、レーザ電源１１０の出力は手動で制御されてよい。溶融帯４の温度Ｔが安定した後に、出力制御部７０は、レーザ光３の出力を自動制御してよい。

【0094】

出力制御部７０は、温度測定部５３により測定された対象物１４の温度が、予め定められた温度以下となるようにレーザ光３の出力を制御してもよい。本例においては、温度測定部５３により測定された溶融帯４の温度Ｔが予め定められた温度以下となるように、出力制御部７０は、レーザ光３の出力を制御する。溶融帯４の温度Ｔが予め定められた温度を超えた場合、出力制御部７０は、レーザ光３の出力を停止するか、または、異常警報を発生してよい。出力制御部７０は、レーザ電源１１０（図１、２参照）の電源電力を停止することによりレーザ光３の出力を停止してよい。出力制御部７０がレーザ光３の出力を停止するか、または、異常警報を発生することにより、レーザ加工装置１００は溶融帯４の温度Ｔが過剰に上昇することを抑制できる。

【0095】

温度測定部５３は、対象物１４の種類に基づいて第１センサ６２の感度と第２センサ６４の感度とを校正してよい。対象物１４が原料棒１６および結晶棒１８である場合、温度測定部５３は、原料棒１６および結晶棒１８の種類に基づいて第１センサ６２の感度と第２センサ６４の感度とを校正する。原料棒１６および結晶棒１８の種類とは、例えば原料棒１６および結晶棒１８の材料である。温度測定部５３により測定された溶融帯４の温度Ｔと、溶融帯４の実際の温度との間には、所定の誤差が存在する場合がある。この所定の誤差は、原料棒１６および結晶棒１８の材料の種類に依存しやすい。このため、温度測定部５３はこの誤差を小さくするように、第１センサ６２の感度と第２センサ６４の感度とを校正してよい。

【0096】

温度測定部５３は、対象物１４の種類に基づいて対象物１４の温度を補正してもよい。上述したように、温度測定部５３により測定された溶融帯４の温度Ｔと、溶融帯４の実際の温度との間には、所定の誤差が存在する場合がある。温度測定部５３は、この誤差を小さくするように溶融帯４の温度Ｔを補正してよい。

【0097】

出力制御部７０（図３参照）が、溶融帯４の温度Ｔの変化に応じてレーザ電源１１０の電源電力を制御する場合、温度測定部５３は、原料棒１６および結晶棒１８の温度が、原料棒１６および結晶棒１８の融点直前まで上昇したタイミングを判定できる。原料棒１６および結晶棒１８が溶融するためには所定の溶解熱が必要なので、出力制御部７０がレーザ光３の強度を大きくしても、原料棒１６および結晶棒１８の温度が上昇しない温度領域が存在する。温度測定部５３は、当該温度領域を把握できる。

【0098】

温度測定部５３が、原料棒１６および結晶棒１８の温度が融点直前まで上昇したと判定した場合、出力制御部７０は、より精密にレーザ電源１１０の電源電力を制御することによりレーザ光３の出力を精密に制御できる。これにより、温度測定部５３は、新規材料や未知の材料の融点を正確に測定できる。これにより、本例のレーザ加工装置１００は、原料棒１６および結晶棒１８の結晶相図の温度が不正確な場合であっても、原料棒１６および結晶棒１８を溶融して任意の温度で単結晶を育成できる。

【0099】

上述したとおり、単結晶育成方法の一つとして、溶媒移動浮遊帯域（ＴＳＦＺ）法が知られている。ＴＳＦＺ法は、成長させる結晶とは異なる成分のフラックス材料を用いる結晶育成方法である。ＴＳＦＺ法においては、原料棒１６および結晶棒１８をフラックス材料に分解溶融させ、単結晶を育成する。ＴＳＦＺ法により育成される結晶は、例えばＹＩＧ（Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２）、ＣｕＯ系高温超伝導材料、等が挙げられる。ＴＳＦＺ法においては、単位時間あたり０．０５ｍｍ～０．５ｍｍの極低速度で結晶を成長させる必要がある。このため、ＴＳＦＺ法においては、１０ｃｍの結晶を成長させるのに２００～２０００時間（約９日～約９０日）を要する。

【0100】

本例の温度測定部５３は、溶融帯４が安定して単結晶化する温度を測定できる。このため、本例のレーザ加工装置１００は、溶融帯４のフラックス成分濃度を単結晶成長中に測定できる。例えば、温度測定部５３が、溶融帯４の温度Ｔが上昇していると判定した場合、レーザ加工装置１００は、溶融帯４のフラックス濃度が一方に偏っていると判定できる。レーザ加工装置１００は、溶融帯４のフラックス濃度のこの偏りから、単結晶を成長させるのに継続可能な時間を推定できる。ＴＳＦＺ法は、上述したとおり極低速度で結晶を成長させる必要があるので、温度測定部５３が成長継続可能時間を推定可能であることは、ＴＳＦＺ法のような長時間の成長時間を要する結晶成長法において、特に重要である。

【0101】

また、レーザ加工装置１００は、溶融帯４のフラックス濃度の偏りに基づいてフラックス濃度を予め調整することもできる。温度測定部５３は、フラックスを含む溶融帯の組成と溶融温度との関係を算出してよい。温度測定部５３は、当該関係に基づいて溶融帯４の適切な温度を決定できる。出力制御部７０は、温度測定部５３により決定された当該温度に基づいて、レーザ電源１１０の電源電力を制御してよい。出力制御部７０は、レーザ電源１１０の電源電力を制御することによりレーザ光３の強度を制御してよい。出力制御部７０が、このようにレーザ光３の強度を制御することにより、レーザ加工装置１００は、単結晶の成長が数日間におよぶ場合であっても、単結晶の成長を安定に保持できる。

【0102】

図１１は、溶融帯監視部５４の一例を示す図である。溶融帯監視部５４は、対象物１４における溶融帯４の映像を取得する。本例の溶融帯監視部５４は、カメラ５５と光学フィルタ５６とを有する。カメラ５５は、対象物１４の映像を取得する。光学フィルタ５６は、対象物１４からの輻射光８を減衰させる。本例の光学フィルタ５６は、２つの偏光子５７（偏光子５７－１および偏光子５７－２）を含んでいる。

【0103】

本例において、偏光子５７－１および偏光子５７－２は、それぞれ固定偏光子および回転偏光子である。偏光子５７－１は、カメラ５５に対して偏光軸を固定して配置される。偏光子５７－２は、カメラ５５に対する偏光軸の向きを回転させる機構を有する。偏光子５７－１の偏光軸のカメラ５５に対する向きと、偏光子５７－２の偏光軸のカメラ５５に対する向きは、偏光子５７－２の偏光軸の回転に伴い変化する。偏光子５７－２のこの回転に伴い、偏光子５７－１および偏光子５７－２を透過する輻射光８の透過率は変化する。溶融帯監視部５４は、偏光子５７－２の偏光軸を回転させることにより、輻射光８の透過率を調整してよい。

【0104】

出力制御部７０は、溶融帯監視部５４により取得された溶融帯４の映像に基づいて、レーザ光３の出力を制御してよい。出力制御部７０は、溶融帯監視部５４により取得された溶融帯４の映像が予め定められた形状となるように、レーザ光３の出力を制御してもよい。

【0105】

図１２は、図３における透過部１０および光学系５０を、ＸＹ面内において輻射光８の進行方向に対して垂直な方向から見た他の拡大図である。本例は、温度測定部５３が記憶部６６をさらに有する点で図４の例と異なる。

【0106】

輻射光８に含まれる第１波長λ１の光の強度Ｉ１と対象物１４の温度との関係を、第１の関係とする。輻射光８に含まれる第２波長λ２の光の強度Ｉ２と対象物１４の温度との関係を、第２の関係とする。記憶部６６は、当該第１の関係および当該第２の関係を、対象物１４の種類ごとに予め記憶している。本例においては、記憶部６６は強度Ｉ１と溶融帯４の温度Ｔとの第１の関係、および、強度Ｉ２と溶融帯４の温度Ｔとの第２の関係を、原料棒１６および結晶棒１８の種類ごとに予め記憶している。温度測定部５３は、記憶部６６に記憶された当該第１の関係および当該第２の関係の少なくとも一方に基づいて、溶融帯４の温度Ｔを補正してもよい。

【0107】

温度測定部５３は、レーザ光３が照射される領域２５において、領域２６の位置を変更可能であってもよい。レーザ加工装置１００は、第１波長λ１の第１強度Ｉ１および第２波長λ２の第２強度Ｉ２の少なくとも一方に基づいて光学系５０の位置を調整することにより、領域２６の位置を変更してよい。

【0108】

レーザ加工装置１００は、領域２６の中心の位置が溶融帯４のＸＹ面内における中心の位置に一致するように、領域２６の位置を調整してもよい。レーザ加工装置１００が領域２６の中心の位置をこのように調整することで、温度測定部５３は、第１センサ６２が受光する第１波長λ１の光の第１強度Ｉ１、および、第２センサ６４が受光する第２波長λ２の光の第２強度Ｉ２を、それぞれ最大値に維持しやすくなる。

【0109】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【0110】

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
［項目１］
対象物にレーザ光を照射する１以上のレーザ照射部と、
前記レーザ光により加熱された前記対象物の温度を測定する温度測定部と、
を備え、
前記温度測定部は、
前記対象物からの輻射光に含まれる第１波長の光の強度である第１強度と、
前記対象物からの輻射光に含まれ、前記第１波長と異なる第２波長の光の強度である第２強度と、
に基づいて、前記対象物の温度を測定する、
レーザ加工装置。
［項目２］
前記温度測定部は、前記第１強度と前記第２強度との比に基づいて、前記対象物の前記温度を測定する、項目１に記載のレーザ加工装置。
［項目３］
前記輻射光を透過する透過波長帯域と、前記レーザ光を遮断する遮断波長帯域と、を有する波長選択部をさらに備え、
前記第１波長および前記第２波長は、前記透過波長帯域に含まれる、
項目１または２に記載のレーザ加工装置。
［項目４］
前記透過波長帯域は、前記遮断波長帯域よりも波長が小さい第１透過波長帯域と、前記遮断波長帯域よりも波長が大きい第２透過波長帯域と、を含み、
前記第１波長は、前記第１透過波長帯域に含まれ、
前記第２波長は、前記第２透過波長帯域に含まれる、
項目３に記載のレーザ加工装置。
［項目５］
前記遮断波長帯域における、前記レーザ光の光学密度は４以上であり、
前記透過波長帯域における、前記第１波長の前記輻射光の透過率、および、前記第２波長の前記輻射光の透過率は、３０％以上である、
項目３または４に記載のレーザ加工装置。
［項目６］
前記波長選択部は、複数種類の誘電体が積層された積層膜、または、前記レーザ光の偏光方向に直交する方向に配置された偏光素子である、項目３から５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
［項目７］
前記温度測定部は、
前記第１波長の光に感度を有する第１センサと、
前記第２波長の光に感度を有する第２センサと、
を有する、項目１から６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
［項目８］
前記輻射光を前記第１センサおよび前記第２センサに集光するレンズをさらに備える、項目７に記載のレーザ加工装置。
［項目９］
前記温度測定部は、前記対象物の種類に基づいて、前記第１センサの感度と前記第２センサの感度とを校正する、項目７または８に記載のレーザ加工装置。
［項目１０］
前記温度測定部は、前記対象物の種類に基づいて、前記対象物の前記温度を補正する、項目１から９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
［項目１１］
前記温度測定部は、前記第１強度と前記対象物の温度との第１の関係、および、前記第２強度と前記対象物の温度との第２の関係を、前記対象物の種類ごとに予め記憶した記憶部をさらに有し、
前記温度測定部は、前記記憶部に記憶された前記第１の関係および前記第２の関係の少なくとも一方に基づいて、前記対象物の前記温度を補正する、
項目１０に記載のレーザ加工装置。
［項目１２］
前記温度測定部は、前記対象物における、前記レーザ光が照射される領域の少なくとも一部の領域の温度を測定する、項目１から１１のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
［項目１３］
前記温度測定部は、前記レーザ光が照射される前記領域において、前記少なくとも一部の領域の位置を変更可能である、項目１２に記載のレーザ加工装置。
［項目１４］
前記レーザ光の出力を制御する出力制御部をさらに備え、
前記出力制御部は、前記温度測定部により測定された前記対象物の前記温度の変化に応じて、前記レーザ光の出力を制御する、
項目１から１３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
［項目１５］
前記出力制御部は、ＰＩＤ制御方式で前記レーザ光の出力を制御する、項目１４に記載のレーザ加工装置。
［項目１６］
前記出力制御部は、
前記温度測定部により測定された前記対象物の前記温度が、予め定められた温度以下となるように前記レーザ光の出力を制御し、
前記対象物の前記温度が前記予め定められた温度を超えた場合に、前記レーザ光の出力を停止し、または、異常警報を発生する、
項目１４または１５に記載のレーザ加工装置。
［項目１７］
前記対象物における溶融帯の映像を取得する溶融帯監視部をさらに備え、
前記出力制御部は、前記溶融帯監視部により取得された前記溶融帯の前記映像に基づいて、前記レーザ光の出力を制御する、
項目１４から１６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
［項目１８］
前記溶融帯監視部は、前記対象物の映像を取得するカメラと、前記対象物からの輻射光を減衰させる光学フィルタと、を有し、
前記光学フィルタは、２つの偏光子を含む、
項目１７に記載のレーザ加工装置。
［項目１９］
前記２つの偏光子の一方は、前記カメラに対して偏光軸を固定して配置された固定偏光子であり、
前記２つの偏光子の他方は、前記カメラに対する偏光軸の向きを回転させる機構を有する回転偏光子である、
項目１８に記載のレーザ加工装置。

【符号の説明】

【0111】

３・・・レーザ光、４・・・溶融帯、５・・・レーザ光、７・・・輻射光、８・・・輻射光、９・・・輻射光、１０・・・透過部、１１・・・対象物保持部、１４・・・対象物、１６・・・原料棒、１８・・・結晶棒、２０・・・レーザ照射部、２２・・・透過波長帯域、２４・・・遮断波長帯域、２５・・・領域、２６・・・領域、３０・・・ファイバ、４０・・・ダンパ、５０・・・光学系、５１・・・波長選択部、５２・・・レンズ、５３・・・温度測定部、５４・・・溶融帯監視部、５５・・・カメラ、５６・・・光学フィルタ、５７・・・偏光子、６０・・・ビームスプリッタ、６２・・・第１センサ、６４・・・第２センサ、６６・・・記憶部、７０・・・出力制御部、１００・・・レーザ加工装置、１１０・・・レーザ電源、１２０・・・半導体レーザ装置、１４０・・・光学台

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】