DE60026184T2

DE60026184T2 - Verfahren zur Herstellung eines kristallinen Gegenstandes

Info

Publication number: DE60026184T2
Application number: DE60026184T
Authority: DE
Inventors: Mitsuaki Ohta-ku Amemiya
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: US20030131789A1; US7014707B2; EP1022362A2; EP1022362B1; EP1380674A3; EP1380674A2; EP1022362A3; DE60026184D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für ein Produzieren eines Kristallartikels (ein Kristallwachstumsverfahren). Genauer gesagt bezieht sie sich auf ein Verfahren für ein Produzieren eines Kristallartikels, der als ein optisches Einkristallkomponententeil mit großem Durchmesser verwendet werden kann, das einen Beugungsindex in einer guten Gleichförmigkeit hat.
Stand der Technik
Der Stand der Technik wird am Fall eines Kalziumfluoridkristalls als ein Einkristallartikel beschrieben.
Da Halbleiterbelichtungsvorrichtungen erforderlich sind, die eine hohe Auflösung haben, wurde in den vergangenen Jahren danach gestrebt, Excimerlaser zu verwenden, die Licht aussenden, das eine kürzere Wellenlänge hat als das von Kr-F-Strahlen (248 nm) oder Ar-F-Strahlen (193 nm). Durch diesen Trend erlangt Fluorkalzium Bedeutung, was ein CaF₂-Kristall ist, der eine hohe Durchlässigkeit und eine niedrige Streuung für ein Licht hat, das solche Wellenlängen hat. Um eine hohe Auflösung zu erreichen, war es des Weiteren erforderlich, dass das Fluoridkalzium ein Einkristall mit einem großen Durchmesser ist, wie ein Glasmaterial für optische Komponententeile.
Herkömmlicherweise werden optische Einkristallmaterialien durch ein Tiegelabsenkverfahren (Bridgman-Verfahren) hergestellt. Das typische Produktionssystem ist zum Beispiel in US-Patent Nr. 2,214,976 offenbart.
1 zeigt einen Kristallwachstumsofen, der mit einer oberen und einer unteren Heizeinheit (Heizelementen) versehen ist, die jeweils unabhängig gesteuert werden können. Weiter ist ein Thermoelement 41 bei dem oberen Teil eines Heizelementes 1a vorgesehen, um zu überwachen, ob die Temperatur bei diesem Teil konstant ist oder nicht.
Das System, das in 1 gezeigt ist, hat eine Kammer 14, ein Wärmeisolierelement 15, das an der Innenwand der Kammer befestigt ist, und Heizelemente 1a und 1b, die aus Graphit gemacht sind, die im Inneren des Wärmeisolierelementes angeordnet sind. Ein tiegelabstützender Stab 7 ist so vorgesehen, dass er sich durch die Kammer 14 erstreckt, um eine Tiegel 3 abzustützen, der ein Blocktiegel genannt wird. Zu Beginn wird CaF₂, ein Wachstumsmaterial 4 von Fluorkalzium, in den Tiegel 3 gegeben, und der Tiegel 3 wird bei einer Stelle angeordnet, die durch die Heizelemente 1a umgeben ist. Der Tiegel 3 wird durch die Hitze erhitzt, die von den Heizelementen 1a und 2a aufgebracht wird. Er wird zu einer Temperatur aufgeheizt, die höher ist als der Schmelzpunkt des Wachstumsmaterials 4 (zum Beispiel 1360°C in dem Fall von Fluorkalzium) und das Wachstumsmaterial wird geschmolzen. Der vorliegende Erfinder steuert die Heizelemente des Kristallwachstumsofens, um eine Temperaturverteilung vorzusehen, wie in 2 gezeigt ist. In 2 ist die Position in der Kammer als Ordinate geplottet und die Temperatur des Heizelementes als Abszisse. Wie man von Tabelle 2 sehen kann, hat das System, das in 1 gezeigt ist, solch einen Aufbau, dass die Temperatur sprunghaft gering wird bei einem unteren Ende des Heizelementes 1a (der Teil der Höhe y1). Die Energie, die auf die Heizelemente 1a und 1b aufgebracht wird, ist so eingestellt, dass der Erstarrungspunkt des Kristalls nahe zu dem Teil y1 kommt, und es ist auch eine geeignete Temperaturabstufung ist vorgesehen.
Das Innere der Kammer 14, das das System bildet, das in 1 gezeigt ist, wird bei einem Unterdruck von ungefähr 1,33 × 10^–3 Pa bis ungefähr 1,33 × 10^–4 Pa durch eine Unterdruckpumpe (nicht gezeigt) gehalten. Der Tiegel 3 wird abgesenkt (optional mit einer Drehung) bei einer konstanten Rate von ungefähr 4 mm/Stunde, wobei das Kristallwachstum in dem Tiegel 3 stattfindet. Der Tiegel 3 entfernt sich allmählich von dem Heizelement 1a und wird von unterhalb des Tiegels 3 abgekühlt. Kristallisierung beginnt bei der Unterseite, die eine niedrige Temperatur hat, und endet, wenn die Fest-Flüssig-Grenzfläche, die Grenze einer festen Phase und einer flüssigen Phase, eines Wachstumspunkts des Kristalls den obersten Teil einer Schmelze erreicht.
In einem Versuch, einen Einkristall mit großen Durchmesser zu produzieren durch Anwendung des Kristallwachstumsofens, der das System hat, das wie vorstehend beschrieben gebildet ist, neigt der resultierende Kristall dazu, einen ungleichförmigen Beugungsindex zu haben aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen dem Zentrum und seiner Umgebung in dem Tiegel, in dem der Kristall wächst.
3 zeigt einen Tiegel, der ein Scheibentiegel genannt wird, der erfunden wurde, um eine flache isotherme Kurve zu erreichen. Ein Tiegel 3, der in 3 gezeigt ist, ist unterteilt mit einer Vielzahl von Platten, die Scheiben 5 genannt werden, die eine gute thermische Leitfähigkeit haben. Die Scheiben 5 haben jeweils einen Aufbau, wobei ein kleines Loch von einigen Millimetern Durchmesser bei der Mitte gemacht ist. Da die Scheiben 5 eine gute thermische Leitfähigkeit haben, kann die Temperatur von CaF₂ flacher gemacht werden als die des Blocktiegels, der in 1 gezeigt ist, und des Weiteren kann die Fest-Flüssig-Grenzfläche flach gemacht werden.
In dem System, das den Scheibentiegel hat, der in dieser Weise aufgebaut ist, wird der Tiegel auch allmählich abgesenkt, um eine Kristallisierung hervorzurufen. Der Scheibentiegel unterscheidet sich von dem Blocktiegel dadurch, dass ein Kristall, der sich bei dem kleinen Mittelloch von einer Scheibe 5 von einem unteren Tiegel verfestigt hat, nachfolgend als ein Keim für einen oberen Tiegel dient. In anderen Punkten ist er im Wesentlichen der gleiche wie der Blocktiegel. Der ganze Tiegel wird bei einer konstanten Rate abgesenkt und die Kristallisierung von CaF₂ wird bewirkt zwischen allen Scheiben 5, und wird beendet, wenn die Fest-Flüssig-Grenzfläche den obersten Teil einer Schmelze erreicht.
Da in solch herkömmlichen Verfahren das Heizelement einen konstanten Hitzefreisetzwert hat und der Tiegel bei einer konstanten Rate abgesenkt wird, neigen jedoch Streukristalle dazu aufzutreten, und auch Kristalle, die einen ungleichförmigen Beugungsindex haben, neigen dazu ausgebildet zu werden.
Weiter haben die herkömmlichen Verfahren, in denen die Temperatur bei einem Punkt erfasst wird, auch eine schlechte Steuerbarkeit für eine Temperaturverteilung bei einer Ebene, die die Richtung des Kristallwachstums schneidet.
In Anbetracht von diesem schlagen Caram et al. in "Directional Solidification of Pb-Sn eutectic with vibration", Journal of Crystal Growth, NL, North Holland Publishing Co. Amsterdam, Vol. 114, Nos. 1/2, 1. Oktober 1991, Seiten 249–254, XP999275275 vor, dass die Abweichung der Wachstumsrate von der Tiegelabsenkrate beurteilt wird durch ein sprunghaftes Absenken des Tiegels bei vorbestimmten Zeitintervallen, um die Struktur zu unterbrechen und um zu gestatten, dass die Grenzflächenform und die Grenzflächenposition in länglichen Scheiben gesehen werden kann. Dann wird die makroskopische Wachstumsrate bestimmt durch Messen der Distanz zwischen diesen Grenzflächenabgrenzungen und durch Wissen der Frequenz des plötzlichen Absenkens des Tiegels.
EP-A-0 463 229 schlägt andererseits ein Einsetzen von mehreren Thermoelementen in die Schmelze vor und das Bestimmen der Fest-Flüssig-Grenzfläche durch Interpolation. Anschließend wird die Absenkgeschwindigkeit des Tiegels so gesteuert, dass die Grenzfläche konstant in einem gewünschten Bereich gelegen ist.
Das Absenkgeschwindigkeitsprofil wird dann mit seinen Parametern gespeichert, um es für gleiche Gießverfahren einzusetzen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzusehen für ein Produzieren eines Kristallartikels, wobei das Verfahren kaum Streukristalle verursacht und eine gleichförmige Beugungsindexverteilung erreichen kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für ein Produzieren eines Kristallartikels vorzusehen, wobei das Verfahren eine gute Temperatursteuerung von Wachstumsmaterial ermöglicht, das zu einem Kristallwachstum veranlasst werden soll.
Die Erfindung sieht ein Verfahren für Kristallwachstum gemäß Anspruch 1 vor.
Die Vorteile und Merkmale der Erfindung werden mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen und in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen diskutiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines herkömmlichen Kristallwachstumsgeräts.
2 ist ein Graph, der eine Temperaturverteilung in einem Kristallwachstumsofen zeigt.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren herkömmlichen Kristallwachstumsgeräts.
4A und 4B sind Graphen, die die Beziehung zwischen einer Höhe von der Unterseite eines Tiegels und einer Temperatur eines Kristallwachstumsmaterials zeigen.
5A ist ein Graph, der zeitliche Änderungen der Temperatur des Wachstumsmaterials in dem Verlauf des Kristallwachstumsverfahren zeigt.
5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Temperaturänderung ΔT und einer Zeit zeigt, wobei das erstere durch latente Wärme des Wachstumsmaterials in dem Verlauf des Kristallwachstumsverfahrens verursacht wird.
5C ist ein Graph, der eine Temperaturänderung ΔT pro Zeiteinheit zeigt.
6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Temperaturänderung ΔT und einer Zeit zeigt.
7 ist eine schematische Ansicht, die verwendet wird, um die Rate von Kristallwachstum zu beschreiben.
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Wärmestromrate und einer Zeit zeigt.
9A und 9B sind schematische Ansichten, die zeigen wie die Fest-Flüssig-Grenzflächen stehen.
10 ist ein Graph, der zeitliche Änderungen der Temperatur des Wachstumsmaterials in dem Verlauf des Kristallwachstumsverfahrens zeigt, wobei ein Tiegel verwendet wird, der oberhalb und unterhalb mit Scheiben unterteilt ist.
11 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Thermoelements, das als ein Temperaturerfassungselement dient.
12 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Thermoelements, das als ein Temperaturerfassungselement dient, das in dem Kristallwachstumsgerät verwendet wird.
13 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Struktur einer Durchführung eines Thermoelementes.
14 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Struktur einer weiteren Durchführung.
15 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Struktur einer Durchführung zeigt.
16 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Kristallwachstumsgeräts.
17 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines weiteren Kristallwachstumsgeräts.
18 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines noch weiteren Kristallwachstumsgeräts.
19 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines weiteren Kristallwachstumsgeräts.
19B ist eine schematische Darstellung einer Struktur, in der ein Temperaturerfassungselement in das Gerät eingesetzt ist, das in 19A gezeigt ist.
20 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines noch weiteren Kristallwachstumsgeräts.
21 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines noch weiteren Kristallwachstumsgeräts.
22 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines noch weiteren Kristallwachstumsgeräts.
23 ist eine schematische Querschnittsansicht eines noch weiteren Kristallwachstumsgeräts.
24A ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines noch weiteren Kristallwachstumsgeräts.
24B ist eine schematische Darstellung einer Struktur, in der ein Temperaturerfassungselement in das Gerät eingesetzt ist, das in 24A gezeigt ist.
25 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines noch weiteren Kristallswachstumsgeräts.
26 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines noch weiteren Kristallwachstumsgeräts.
27 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines noch weiteren Kristallwachstumsgeräts.
28 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines noch weiteren Kristallwachstumsgeräts.
29 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines noch weiteren Kristallwachstumsgeräts.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Unterkühlung)
Wo ein Tiegel stillsteht und kein weiteres Kristallwachstum bewirkt wird, ist seine Temperaturabstufung in der Richtung von Kristallwachstum (der vertikalen Richtung in 1) die, wie in 4A gezeigt ist. In 4A ist die Höhe eines Wachstumsmaterials als Abszisse angezeigt und eine Temperatur als Ordinate. MP bezeichnet einen Schmelzpunkt und SL eine Fest-Flüssig-Grenzfläche.
Wo der Tiegel abgesenkt wird und Kristallwachstum bewirkt wird, ist seine Temperaturverteilung in dem Fall, wo die Bewegungsrate einer Schmelztemperaturlinie höher ist als die Ausscheidungsrate einer festen Phase die, wie in 4B gezeigt ist. In der flüssigen Phase ist eine Temperaturregion (Dicke: d; die Region, die in 4A schattiert ist) vorhanden, deren Temperatur geringer ist als der Schmelzpunkt MP. Diese Region ist in dem Zustand der Unterkühlung und ist unstabil. Daher können mehr Kristallkeime ausscheiden als in der gewöhnlichen flüssigen Phase, die in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche ist, und ihre Kristallorientierung wird zufällig, so dass Streukristalle zu wachsen beginnen bzw. wachsen, die eine Orientierung haben, die unterschiedlich von der Kristallorientierung der festen Phase ist, die bis zu dieser Zeit gewachsen ist.
Um solche Streukristalle zu verhindern, ist es wichtig, die Bewegungsrate einer Schmelztemperaturlinie gleich zu machen zu der Ausscheidungsrate einer festen Phase, und die Dicke d der Region gering zu machen, die in dem Zustand der Unterkühlung vorhanden ist. Hierzu ist es notwendig, die Temperaturabstufung in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche groß zu machen und die Absenkrate des Tiegels (nachstehend oft als "Tiegelabsenkrate" bezeichnet) zu steuern, um die Bewegungsrate einer Schmelztemperaturlinie gleich zu der Ausscheidungsrate einer festen Phase zu machen.
In herkömmlichen Verfahren ist jedoch die Tiegelabsenkrate nicht in Übereinstimmung mit der Rate von Kristallwachstum (nachstehend oft als "Kristallwachstumsrate" bezeichnet) und der Zustand der Unterkühlung wird nicht gefunden, obwohl er aufgetreten ist.
Demzufolge ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine "Temperaturänderung" ΔT, die durch latente Wärme verursacht wird, wie nachstehend detailliert beschrieben wird, erfasst wird, so dass der Kristallwachstumsofen gesteuert werden kann in Übereinstimmung mit der Information, die erhalten wird.
(Latente Wärme)
5A zeigt zeitliche Änderungen der Temperatur eines Wachstumsmaterials, das einem Kristallwachstumsprozess unterzogen wird.
Ein Temperaturerfassungselement ist in einem Tiegel des Geräts eingesetzt, das in 1 gezeigt ist, und der Tiegel wird abgesenkt, worauf sich die erfasste Temperatur ändert, wie durch eine durchgehende Linie in 5A angezeigt ist. Diese Kurve hat mehrere Wendepunkte und es wurde herausgefunden, dass jeder dieser Wendepunkte die Zeit ist, die Kristallwachstum entspricht. Genauer gesagt, nachdem der Tiegel beginnt bei einer Zeit t0 abgesenkt zu werden, beginnt Kristallwachstum bei einer Zeit t1 und das Kristallwachstum endet bei einer Zeit t4. Noch genauer gesagt, beginnt Kristallwachstum bei einer Zeit t1 von einem Punkt bei der Mitte von der Unterseite des Tiegels, erstreckt sich das Kristallwachstum zu dem gesamten Inneren des Tiegels bei einer Zeit t2, endet das Kristallwachstum des Kristallwachstumsmaterials, das bei der Mitte und in seiner Umgebung vorhanden ist, bei einer Zeit t3, und das Kristallwachstum des gesamten Wachstumsmaterials in dem Tiegel ist bei einer Zeit t4 beendet.
Wenn kein Kristallwachstum stattfindet ist die Kurve die, die durch eine gestrichelte Linie in 5A gezeigt ist. Die Daten, die durch diese gestrichelte Linie gezeigt sind, können durch das folgende Experiment gestützt werden.
Zum Beispiel wird CaF₂ als das Wachstumsmaterial verwendet und eine Substanz, die dieselben thermischen Eigenschaften (das Produkt aus Wärmekapazität C und Dichte ρ) hat und auch keinen Schmelzpunkt bei 1000° bis 1500°C hat, in den Tiegel als ein Imitationsmaterial eingesetzt, und die Temperatur wird gemessen. Somit können die Daten, die der gestrichelten Linie entsprechen, erhalten werden. Weiter können als das Imitationsmaterial Carbon bzw. Kohlenstoff, MgO und Al₂O₃ verwendet werden, wie in der folgenden Tabelle 1 gezeigt ist. Mischungen von Festkörpern von diesen oder Mischungen von Pulvern von diesen können auch als Imitationsmaterialien verwendet werden, die thermische Eigenschaften haben nahe zu CaF₂.
Tabelle 1
Das ΔT ist eine Differenz zwischen den Daten, die durch die durchgängige Linie angezeigt werden, und den Daten, die durch die gestrichelte Linie angezeigt werden, d.h. eine Temperaturdifferenz bei einer identischen Zeit. Zeitliche Änderungen dieses ΔT sind in der 5B gezeigt. Ein Wert von ΔT/Δt zeigt eine Änderung einer Temperaturdifferenz pro Zeiteinheit an, und zeitliche Änderungen dieses ΔT/Δt sind in 5C gezeigt.
Wo das Kristallwachstum stattfindet, durchlebt, bzw. erfährt das Wachstumsmaterial einen Phasenübergang von einer flüssigen Phase zu einer festen Phase, um latente Wärme zu erzeugen. Diese latente Wärme führt einen Temperaturanstieg des Wachstumsmaterials, des Tiegels und auch des Heizelementes herbei. Dies ist der Grund für die Temperaturdifferenz ΔT. Verglichen mit dem Fall, wo keine latente Wärme erzeugt wird (d.h. der Fall der Daten, die durch die gestrichelte Linie angezeigt werden), ändert sich die erfasste Temperatur nur durch ΔT. Demzufolge wird das ΔT der Einfachheit halber nachstehend als "Temperaturänderung" bezeichnet.
(Steuerung des Kristallwachstumsofens)
Um den vorstehend beschriebenen Bereich der Unterkühlung gering zu machen, ist es vorzuziehen, die Kristallwachstumsrate konstant zu halten und/oder eine Temperatur in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche zu steuern. Zuerst wird beschrieben, wie man die Kristallwachstumsrate und die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche findet, die von der latenten Wärme als ein Parameter bekannt sind. Als zweites wird beschrieben, wie man diese steuert.
(1) Wie man die Kristallwachstumsrate und die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche findet:
(1.1) Wie man die Kristallwachstumsrate findet:
Wie man die Temperaturänderung findet, die latenter Wärme zuschreibbar ist, wird später beschrieben. Zuerst wird beschrieben, wie man die Kristallwachstumsrate von der Temperaturänderung findet, die latenter Wärme zuschreibbar ist.
Wo das Kristallwachstum stattfindet, findet ein Phasenübergang von einer flüssigen Phase zu einer festen Phase statt, sodass latente Wärme erzeugt wird. Ein Messen dieser latenten Wärme ermöglicht ein Messen der Kristallwachstumsrate. Es wurde herausgefunden, dass die Erzeugung von latenter Wärme einen kleinen Temperaturanstieg des Tiegels und des Heizelementes herbeiführt, und dass die Temperatur, die auf diese Weise angestiegen ist, proportional zu der Kristallwachstumsrate ist. Genauer gesagt kann es wie folgt ausgedrückt werden: ΔT = C1 × Q × dV/dt (1)
Hier ist Q eine Wärmemenge pro Volumeneinheit, die erzeugt wird, wenn CaF₂ sich verfestigt, d.h. die Fusionswärme pro Volumeneinheit, und V ist ein Volumen des Kristalls. dV/dt ist ein Volumen des Kristalls, das sich pro Zeiteinheit erhöht hat. Des Weiteren ist C1 ein Proportionalitätsfaktor, der von den Strukturen des Kristallwachstumsofens und des Tiegels abhängt, und wird von dem Wert bestimmt, der erhalten wird, wenn die latente Wärme, die in dem Tiegel erzeugt wird, zu der Außenseite abgeführt wird (Atmosphäre oder Kühlwasser), und somit kann dieser Faktor als konstant angenommen werden, solange der selbe Kristallwachstumsofen und der selbe Tiegel benutzt werden. Dieser Proportionalitätsfaktor kann auch durch Berechnung gefunden werden, aber nachstehend wird ein experimentelles Verfahren für seine Bestimmung beschrieben.
Wo sich das Wachstumsmaterial in dem gesamten Tiegel verfestigt hat, ist die Temperaturänderung ΔT, die latenter Wärme zuschreibbar ist, die, wie in 6 gezeigt ist.
In 6 ist die Zeit als Abszisse angezeigt und der Wert des Temperaturanstiegs als Ordinate. Es ist zu beachten, dass eine Verfestigung bei einer Zeit t1 begonnen hat, und dass die Verfestigung des gesamten Wachstumsmaterials bei einer Zeit t4 geendet hat. Die Temperaturänderung ΔT kann leicht in Abhängigkeit der Zeit variieren. Dies zeigt, dass die latente Wärme mit der Zeit variiert. Da jedoch die Menge von latenter Wärme, die schließlich erzeugt wird, von dem gesamten Volumen des hergestellten Kristalls abhängt, ist ein Bereich einer schattierten Region, der in 6 gezeigt ist, gleich zu dem Gesamtvolumen des Kristalls, der sich verfestigt hat. Demzufolge ergibt ein Integrieren der beidseitigen Elemente von Gleichung (1) von der Zeit t1 zu der Zeit t4 die folgende Gleichung: ∫ΔTdt = C1 × Q × V0 (2)
Hier ist V0 das Gesamtvolumen des Kristalls, der sich verfestigt hat. Deshalb wird die unbestimmte Konstante C1 in Gleichung (1) bestimmt.
Wo C0 = ∫ΔTdt/dV, wird das ΔT durch Gleichung (3) ausgedrückt. ΔT = C0 × dV/dt (3)
In dem Fall eines Tiegels, der eine flache Unterseite hat, und wo der Unterseitenbereich des Tiegels durch S repräsentiert wird und die Dicke des Kristalls, der gewachsen ist, durch h repräsentiert wird, ist: V = S × h (4)
Wo die beidseitigen Elemente differenziert werden und der resultierende Wert für Gleichung (1) substituiert wird, kann daher das Folgende niedergeschrieben werden. ΔT = C0 × S × dh/dt (5)
Wo die Kristallwachstumsrate als eine Rate eingestellt ist, bei der der Kristall dick wird, (dh/dt), ist die folgende Gleichung gegeben. dh/dt = ΔT/(C0 × S) (6)
Solange das ΔT gefunden wird, wird deshalb die Kristallwachstumsrate bekannt. Als nächstes wird die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche bezüglich des Kristallwachstumsofens bei Gleichung (6) gefunden. Da das Wachstumsmaterial beginnt sich zu verfestigen bei der Position, wo die Temperatur am niedrigsten ist, beginnt das Kristallwachstum an der Unterseite des Tiegels, wenn der Tiegel abgesenkt wird. Wo die Zeit, bei der der Kristall begonnen hat sich zu verfestigen, durch t1 repräsentiert ist, und wo die Position der Unterseite des Tiegels bezüglich dem Kristallwachstumsofen (z.B. die Höhe, gemessen von der Unterseite der Kammer) durch y0 repräsentiert wird, wird die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche bei einer Zeit t, y(t) ausgedrückt durch die folgende Gleichung (7). In dem folgenden ist der Integrationsbereich von der Zeit t1 (Kristallwachstumsbeginnzeit) bis zu der Zeit t festgelegt. y(t) = ∫(dh/dt)dt + y0 = ∫ΔT/(C0 × S)dt + y0 (7)
Nachstehend wird beschrieben, wie man die Zeit t1 findet, bei der das Kristallwachstum beginnt, in Kombination, wie man die Temperaturänderung ΔT findet.
Wie in 7 gezeigt ist, ist ein Tiegel verfügbar, dessen Unterseite eine konische Form hat, sodass das Kristallwachstum leicht von der Mitte des Tiegels voranschreiten kann. In diesem Fall kann Gleichung (6) nicht als eine Gleichung für die Kristallwachstumsrate verwendet werden, wenn es eine nicht vernachlässigbare Zeit braucht, bis das Kristallwachstum eine Höhe h1 erreicht. In dem Fall von solch einem konischen Tiegel, wo der halbe vertikale Winkel der konischen Form um die Unterseite des Tiegels herum durch θ repräsentiert ist und die Höhe der konischen Form durch h1, ist. V = (1/3) × π × h3tan2θ (8)
Somit ist, wo der resultierende Wert für Gleichung (3) substituiert wird, das folgende gegeben, wenn h < h1. ΔT = C0 × h2 × tan2θ × dh/dt (9)
Deshalb kann innerhalb dem Bereich von h < h1 die Kristallwachstumsrate durch Gleichung (10) ausgedrückt werden. dh/dt = ΔT/(C0 × h2 × tan2θ) (10)
Wo die Höhe h des Kristalls größer geworden ist als h1, ist die Kristallwachstumsrate durch Gleichung (6) gegeben. In Gleichung (6) ist S eine Querschnittsfläche des Tiegels bei seiner Höhe, die größer ist als h.
(1.2) Wie man die Temperaturänderungen findet, die latenter Wärme zuschreibbar sind:
Wie man die Temperaturänderung ΔT findet, die latenter Wärme zuschreibbar ist, wird beschrieben. Verfahren zum Messen der Temperaturänderung ΔT können ungefähr in zwei Verfahren eingeteilt werden. In dem folgenden wird zuerst ein Verfahren beschrieben, in dem die Temperaturänderung θT, die latenter Wärme zuschreibbar ist, von der Temperatur des Tiegels hergeleitet wird, und dann wird ein Verfahren beschrieben, in dem die Temperaturänderung ΔT, die latenter Wärme zuschreibbar ist, von der Temperatur des Heizelementes usw. hergeleitet wird.
(1.2.1)
Verfahren, in dem die Temperaturänderung ΔT, die latenter Wärme zuschreibbar ist, von der Temperatur des Tiegels hergeleitet wird:
Wie vorstehend beschrieben ist, wird die Temperatur des Tiegels während einer Bewegung gemessen und ihre zeitlichen Änderungen werden beobachtet, wobei auf diese Weise wird die Temperaturänderung ΔT gefunden wird.
(1.2.2)
Verfahren, in dem die Temperaturänderung ΔT, die latenter Wärme zuschreibbar ist, von der Temperatur des Heizelementes hergeleitet wird:
Nicht nur das Heizelement führt Wärme dem Tiegel in einer einseitigen Weise zu, sondern der Tiegel und das Heizelement führen auch einen Wärmeaustausch durch Strahlung durch. Somit führt der Temperaturanstieg des Tiegels direkt zu dem Temperaturanstieg des Heizelementes. Da das Heizelement stationär eingestellt ist, ist unterdessen eine Temperaturänderung, in derartiger Weise, dass sich die Temperatur allmählich verringert, wie in dem Fall des Tiegels, in der Temperatur des Heizelementes nicht erkennbar. Ein Temperaturanstieg des Tiegels führt einen Temperaturanstieg des Heizelementes in entsprechender Weise herbei. Solange die Menge von Versatz ausgeschlossen ist, kann daher im Wesentlichen dieselbe Temperaturänderung ΔT, die latenter Wärme zuschreibbar ist, erhalten werden, wie die, die in 5B gezeigt ist. Hier erfährt der Teil des Heizelementes bei seiner Position, die der Umgebung der Unterseite des Tiegels entspricht, Temperaturänderungen, wenn der Tiegel bewegt wird. Daher ist es vorzuziehen, die Temperatur des Heizelementes bei seiner Position zu messen, die höher ist als die Unterseite des Tiegels.
Die Temperaturänderung ΔT, die durch eine der vorstehenden Verfahren erhalten wird, wird über die Zeit integriert, um den Proportionalitätsfaktor C1 von Gleichung (1) zu finden. Da sich die Temperaturänderung ΔT, die latenter Wärme zuschreibbar ist, in Abhängigkeit von Messbedingungen ändert, ist es wünschenswert, dass der Proportionalitätsfaktor 1 gefunden wird, jedes Mal wenn die Messbedingungen verändert werden, wie in dem Fall, wo die Temperatur des Tiegels gemessen wird, oder wenn die Temperatur des Heizelementes gemessen wird.
Die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche kann auch gemäß Gleichung (7) gefunden werden.
Die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche in dem Verlauf des Kristallwachstums kann auch gemäß Gleichung (7) gefunden werden.
(2) Wie man steuert:
Ein Verfahren zum Steuern des Kristallwachstumsofens, um zu verhindern, dass Streukristalle auftreten, wird nachstehend beschrieben, das auf Basis der Kristallwachstumsrate und der Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche gesteuert wird, die gefunden werden, wie vorstehend beschrieben ist.
(2.1) Steuerung, die gemacht wird, wenn das Kristallwachstum beginnt:
In dem Fall, wo das Kristallwachstum (Verfestigung des Wachstumsmaterials) nicht beginnt, obwohl die Temperatur des Tiegels bei seiner Unterseite den Schmelzpunkt des Kristalls erreicht hat oder die Unterseite des Tiegels eine vorbestimmte Lage erreicht hat, die dem Schmelzpunkt entspricht, kann sich eine Vergrößerung der Unterkühlungsregion ergeben, wenn der Tiegel weiter abgesenkt wird, wie er ist. In solch einem Fall tritt ein sprunghafter Wechsel der Temperatur nicht auf. Demzufolge ist die Tiegelabsenkrate nicht konstant gemacht, sondern die Tiegelabsenkrate ist veränderbar gemacht. Genauer gesagt, wird die Absenkrate verringert oder der Tiegel wird nicht weiter abgesenkt, um zu warten, dass das Kristallwachstum beginnt. Alternativ kann die Temperatur des Tiegels bei seinem Zentrum verringert werden, um den Beginn des Kristallwachstums zu veranlassen. Als eine weitere Alternative kann der Tiegel leicht erschüttert werden durch Vibration oder Rotation von diesem, so dass das Kristallwachstum leicht beginnen kann.
(2.2) Steuerung, um die Kristallwachstumsrate konstant zu halten:
Ein Fall, wo die Kristallwachstumsrate (dh/dt), die durch Gleichung (6) gegeben ist, klein wird, obwohl die Temperatur des Heizelementes konstant ist und eine Tiegelabsenkrate Vc konstant ist, zeigt, dass die Region der Unterkühlung sich erhöht hat, d.h., dass die Tiegelabsenkrate zu hoch für die Rate des Kristallwachstums ist. Demzufolge wird die Tiegelabsenkrate Vc (einmal) verringert. Somit wird die Tiegelabsenkrate so gesteuert, dass sie in Übereinstimmung ist mit der Kristallwachstumsrate (dh/dt), so dass die Region der Unterkühlung klein gemacht werden kann und ein Auftreten von Streukristallen, die von Kristallkeimen wachsen, die ungewollt auftreten, verhindert werden kann.
Um die Kristallwachstumsrate konstant zu halten, kann die Tiegelabsenkrate so gesteuert werden, dass sich die Kristallwachstumsrate überhaupt nicht ändert (Änderung = 0). Die Änderung der Kristallwachstumsrate kann gefunden werden durch Erhalten des Differentials oder der Differenz der Funktion, die in 5B gezeigt ist, bezüglich der Zeit. Ein Erhalten der Differenz der Funktion, die in 5B gezeigt ist, führt zu dem, was in 5C angezeigt ist. Die Zeit ist als Abszisse gezeigt und die Temperaturanstiegsdifferenz (ΔT/Δt) als Ordinate. In der Zeitspanne von der Zeit t0 zu der Zeit t1 verringert sich die Temperatur nur konstant, wenn der Tiegel abgesenkt wird. Die Zeitspanne von der Zeit t1 zu der Zeit t2 ist eine Zeitspanne, wo das Kristallwachstum beginnt und ist eine Zeitspanne, wo sich die Temperatur stark ändert aufgrund der latenten Wärme. Die Zeitspanne von der Zeit t2 zu der Zeit t3 ist eine Zeitspanne, wo das Kristallwachstum bei einer konstanten Rate voranschreitend gehalten wird. Die Zeitspanne von der Zeit t3 zu der Zeit t4 ist eine Zeitspanne, wo das Kristallwachstum endet.
(2.3) Heizelementtemperatursteuerung in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche:
In dem Fall, wo die Höhe y(t) der Fest-Flüssig-Grenzfläche, die durch Gleichung (7) erhalten wird, sich verschoben hat, um von der ursprünglichen Temperatur abzuweichen, wird eine Steuerung gemacht, um die Temperatur des Heizelementes zu ändern, d.h. die Temperaturverteilung in dem Kristallwachstumsofen, so dass die Temperatur in der Umgebung der Höhe y(t) der Fest-Flüssig-Grenzfläche zu dem Schmelzpunkt kommt.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen der Wärmestromrate, die durch latente Wärme verursacht werden, erfasst werden, so dass der Kristallwachstumsofen in Übereinstimmung mit der Information, die erhalten wird, gesteuert werden kann.
(3) Wie man die Kristallwachstumsrate und die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche findet:
(3.1) Wie man die Kristallwachstumsrate findet:
Wo das Kristallwachstum stattfindet, findet ein Phasenübergang statt von einer flüssigen Phase zu einer festen Phase, so dass latente Wärme erzeugt wird. Da diese latente Wärme proportional ist zu der Größenordnung, in der der Phasenübergang von einer flüssigen Phase zu einer festen Phase stattgefunden hat, ermöglicht die Messung dieser latenten Wärme eine Messung der Kristallwachstumsrate. Wo die latente Wärme erzeugt wurde, muss überschüssige Wärme nach außen entweichen für die Menge der Wärme, die erzeugt worden ist. Daher erhöht sich die Menge von Wärme, die nach außen von dem Kristallwachstumsofen entweicht. Die Kristallwachstumsrate kann konstant gehalten werden solange die Rate von einem Wärmestrom (Wärmestromrate) pro Zeiteinheit konstant gehalten werden kann; die Rate entspricht der Menge von Wärme, die nach außen entweicht. Die Änderung der Wärmestromrate Vq der Wärme, die nach außen entweicht, kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. ΔVq = C2 × Q × dV/dt (11)
Der Umfang der Änderung der Wärmestromrate, ΔVq, unterscheidet sich bei jedem Teil des Kristallwachstumsofens. Er ist zum Beispiel groß bei einem abstützenden Stab, der den Tiegel stützt, und ist klein in der Nähe des Tiegels. Demzufolge ist die Wärmestromrate Vq, die hier gezeigt ist, als eine Wärmestromrate bei einem speziellen Punkt in dem Kristallwachstumsofen festgelegt. In der Gleichung ist Q eine Menge von Wärme, die erzeugt wird, wenn sich ein Wachstumsmaterial pro Volumeneinheit verfestigt, d.h. die Fusionswärme pro Volumeneinheit, und V ist ein Volumen des Kristalls. dV/dT ist ein Volumen des Kristalls, das sich pro Zeiteinheit erhöht hat. Des Weiteren ist C2 ein Proportionalitätsfaktor, der von den Strukturen des Kristallwachstumsofens und des Tiegels abhängt, und wird von dem Wert bestimmt, der erhalten wird, wenn die latente Wärme, die in dem Tiegel erzeugt wird, zu der Außenseite entweicht (Atmosphäre oder Kühlwasser), und somit kann dieser Faktor als konstant angenommen werden solange der selbe Kristallwachstumsofen und der selbe Tiegel verwendet werden. Dieser Proportionalitätsfaktor kann auch durch Berechnung gefunden werden, aber nachstehend wird ein experimentelles Verfahren für seine Bestimmung beschrieben.
Wo sich das Wachstumsmaterial in dem Tiegel verfestigt hat, ist die Wärmestromrate Vq so, wie in 8 gezeigt ist. In 8 ist die Zeit als Abszisse gezeigt und die Wärmestromrate als Ordinate.
Es wird erachtet, dass eine Verfestigung bei einer Zeit t1 begonnen hat, und dass die Verfestigung des gesamten Wachstumsmaterials bei einer Zeit t4 geendet hat. Vor der Zeit t1 beginnt das Wachstumsmaterial nicht, sich zu verfestigen, und die Wärmestromrate der Wärme, die erzeugt wird, wenn die Wärme, die durch ein Heizelement gegeben wird, das intern vorgesehen ist, nach außen entweicht von dem Kristallwachstumsofen, ist Vq0. Wo das Kristallwachstum begonnen hat, ist die Menge von Wärme, die erzeugt wird, in Übermaß für den Anteil der latenten Wärme. Daher erhöht sich die Wärmestromrate von der Wärme, die nach außen befördert wird, und die Wärmestromrate nimmt einen Wert an, der im Wesentlichen nahe zu Vq1 ist. Der Umfang der Änderung dieser Wärmestromrate, ΔVq (= Vq(t) – Vq0) ist dem Einfluss latenter Wärme zuschreibbar.
Jedoch kann die Wärmestromrate leicht variieren in Abhängigkeit von der Zeit. Dies zeigt, dass die latente Wärme mit der Zeit variiert. Da jedoch die Menge von latenter Wärme, die schließlich erzeugt wird, von dem Gesamtvolumen des Kristalls, der hergestellt wird, abhängt, ist der Bereich einer schattierten Region, die in 8 gezeigt ist, gleich zu dem Gesamtvolumen des Kristalls, der sich verfestigt hat. Demzufolge ergibt ein Integrieren der beidseitigen Elemente von Gleichung (11) von der Zeit t1 zu der Zeit t4 die folgende Gleichung. ∫(Vq(t) – Vq0)dt = C2 × Q × V0 (12)
Hier ist V0 das Gesamtvolumen des Kristalls, der sich verfestigt hat. Deshalb wird die unbestimmte Konstante C2 in Gleichung (11) bestimmt.
Wo C3 = ∫(Vq(t) – Vq0)dt/V0, wird das ΔVq durch Gleichung (13) ausgedrückt. ΔVq = C3 × dV/dt (13)
In dem Fall eines Tiegels, der eine flache Unterseite hat und wo die Unterseitenfläche des Tiegels durch S repräsentiert wird und die Dicke des Kristalls, der gewachsen ist, durch h repräsentiert wird, ist V = S × h (14)
Wo die beidseitigen Elemente differenziert werden und der resultierende Wert für Gleichung (11) substituiert wird, kann daher das folgende niedergeschrieben werden. ΔVq = C3 × S × dh/dt (15)
Wo die Kristallwachstumsrate festgelegt ist als eine Rate, bei der der Kristall dick wird (dh/dt), ist die folgende Gleichung gegeben. dh/dt = ΔVq/(C3 × S) (16)
Solange das ΔVq gefunden wird, wird deshalb die Kristallwachstumsrate bekannt. Als nächstes wird die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche bezüglich dem Kristallwachstumsofen von Gleichung (16) gefunden. Da das Kristallwachstum beginnt sich zu verfestigen bei der Position, wo die Temperatur am niedrigsten ist, beginnt das Wachstumsmaterial bei der Unterseite des Tiegels, wenn der Tiegel abgesenkt wird. Wo die Zeit, bei der der Kristall begonnen hat sich zu verfestigen, durch t1 repräsentiert wird, und die Position der Unterseite des Tiegels bezüglich dem Kristallwachstumsofen (z.B. die Höhe gemessen von der Unterseite der Kammer) durch y0 repräsentiert wird, wird die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche bei einer Zeit t, y(t), durch die folgende Gleichung (17) ausgedrückt. In dem Folgenden ist der Integrationsbereich von der Zeit t1 (Kristallwachstumsbeginnzeit) zu der Zeit t festgelegt. y(t) = ∫(dh/dt)dt = ∫ΔVq/(C3 × S)dt (17)
Wie man die Zeit t1 findet, bei der das Kristallwachstum beginnt, wird nachstehend beschrieben, in Kombination, wie man die Temperaturänderung ΔT findet.
Wie in 7 gezeigt ist, ist ein Tiegel verfügbar, dessen Unterseite eine konische Form hat, so dass das Kristallwachstum leicht von der Mitte des Tiegels voranschreiten kann. In diesem Fall kann Gleichung (16) als eine Gleichung für die Kristallwachstumsrate nicht verwendet werden, wenn es eine nicht vernachlässigbare Zeit braucht, bis das Kristallwachstum eine Höhe h1 erreicht. In dem Fall von solch einem konischen Tiegel, wo der halbe vertikale Winkel der konischen Form um die Unterseite des Tiegels herum durch θ repräsentiert wird und die Höhe der konischen Form durch h1, ist Gleichung (8) gegeben, wie vorstehend beschrieben ist. Wo der resultierende Wert für Gleichung (13) substituiert wird, ist somit das folgende gegeben, wenn h < h1. ΔVq = C3 × h2 × tan2θ × dh/dt (18)
Deshalb kann innerhalb des Bereichs von h < h1 die Kristallwachstumsrate durch die folgende Gleichung (19) ausgedrückt werden. dh/dt = ΔVq/(C3 × h2 × tan2θ) (19)
Wo die Höhe h des Kristalls größer als h1 geworden ist, ist die Kristallwachstumsrate durch Gleichung (16) gegeben. In Gleichung (16) ist S eine Querschnittsfläche des Tiegels bei seiner Höhe, die größer ist als h.
(3.2) Wie man die Änderungen der Wärmestromrate findet, die latenter Wärme zuschreibbar sind:
Wie man die Änderung der Kristallwachstumsrate, ΔVq, findet, die latenter Wärme zuschreibbar ist, wird nachstehend beschrieben. In dem Fall, wo ein Festkörper oder ein Gas zwischen zwei Punkten (einem Punkt 1 und einem Punkt 2) ist, wo die Wärme durch Leitung übertragen wird, ist die Wärmestromrate Vq der Wärme, die von dem Punkt 1 (Temperatur T1) zu dem Punkt 2 (Temperatur T2) strömt, bestimmt durch eine Temperaturabstufung zwischen ihnen und durch eine thermische Leitfähigkeit λ12 zwischen ihnen. Wo die Distanz zwischen den zwei Punkten durch L repräsentiert wird, gilt Vq = λ12 × (T2 – T1)/L (20)
In dem Fall, wo ein Unterdruck bzw. Vakuum zwischen den zwei Punkten ist, wird die Wärme durch Strahlung übertragen. Wo die Temperaturen bei den zwei Punkten durch T1 und T2 repräsentiert werden, gilt Vq = Cε × (T14 – T24) (21)
Hier ist Cε ein Proportionalitätsfaktor, der bestimmt ist durch den Formfaktor und ein Emissionsvermögen zwischen den zwei Punkten. In dem Fall, wo eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen den zwei Punkten (ΔT = T1 – T2) gering ist, wird Gleichung (21) modifiziert, um wie folgt zu sein: Vq # = 4 × Cε × T23 × ΔT (22)
Aus Gleichungen (20) bis (22) wird die Wärmestromrate Vq in allen Fällen bestimmt, außer für den Proportionalitätsfaktor durch Messen der Temperatur bei den zwei Punkten, die räumlich entfernt sind. Des Weiteren kann durch Messen einer Wärmestromrate Vq0, bevor das Kristallwachstum beginnt, die Änderung der Kristallwachstumsrate, ΔVq (= Vq – Vq0), gefunden werden. Der Proportionalitätsfaktor kommt nicht besonders in Frage, weil er notwendigerweise in dem Proportionalitätsfaktor C3 in Gleichung (3) enthalten ist, wenn die Kristallwachstumsrate gefunden wird.
Die Änderung der Kristallwachstumsrate, ΔVq, die latenter Wärme zuschreibbar ist, die auf diese Weise erhalten wird, wird über die Zeit integriert, um den Proportionalitätsfaktor C2 von Gleichung (11) zu finden. Da die Änderung der Kristallwachstumsrate, ΔVq, auf der Wärmestromrate zwischen den zwei Punkten basiert, wo sie gemessen wird, ist sie ein Wert, der zwischen den zwei Punkten charakteristisch ist, wo sie gemessen wird, und sie ändert sich in Abhängigkeit der Stelle, wo sie gemessen wird. Daher wird der Proportionalitätsfaktor C2 für jede Stelle bestimmt, wo sie gemessen wird, und für jedes Verfahren, durch das sie gemessen wird. Die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche kann auch gemäß Gleichung (17) gefunden werden.
(4) Wie man steuert:
Ein Verfahren zum Steuern des Kristallwachstumsofens, um zu verhindern, dass Streukristalle auftreten, wird nachstehend beschrieben, das auf Basis der Kristallwachstumsrate und der Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche gesteuert wird, die wie vorstehend beschrieben gefunden wurden.
(4.1) Steuerung, die gemacht wird, wenn das Kristallwachstum beginnt:
In dem Fall, wo das Kristallwachstum (Verfestigung des Wachstumsmaterials) nicht beginnt, obwohl die Temperatur des Tiegels bei seiner Unterseite den Schmelzpunkt des Kristalls erreicht hat, oder obwohl die Unterseite des Tiegels eine vorbestimmte Position erreicht hat, die dem Schmelzpunkt entspricht, kann sich eine Vergrößerung der Unterkühlungsregion ergeben, wenn der Tiegel weiter abgesenkt wird, wie er ist. In solch einem Fall tritt eine sprunghafte Änderung der Wärmestromrate nicht auf. Demzufolge ist die Tiegelabsenkrate veränderbar gemacht. Genauer gesagt, wird die Absenkrate verringert oder der Tiegel wird angehalten, um zu warten, dass das Kristallwachstum beginnt. Hier kann die Temperatur des Tiegels bei seinem Zentrum verringert werden, um den Beginn des Kristallwachstums zu veranlassen. Alternativ kann der Tiegel leicht erschüttert werden durch Vibration oder Rotation von diesem, so dass das Kristallwachstum leicht beginnt.
(4.2) Konstanthalten der Kristallwachstumsrate:
Ein Fall, wo die Kristallwachstumsrate (dh/dt), die durch Gleichung (16) gegeben ist, klein wird, obwohl die Temperatur des Heizelementes konstant ist und eine Tiegelabsenkrate Vc konstant ist, zeigt, dass sich die Region der Unterkühlung erhöht hat, d.h., dass die Tiegelabsenkrate zu hoch ist für die Rate des Kristallwachstums. Demzufolge wird die Tiegelabsenkrate Vc verringert. Somit wird die Tiegelabsenkrate so gesteuert, dass sie in Übereinstimmung mit der Kristallwachstumsrate (dh/dt) ist, so dass die Region der Unterkühlung klein gemacht werden kann und ein Auftreten von Streukristallen verhindert werden kann.
Um die Kristallwachstumsrate konstant zu halten, kann die Tiegelabsenkrate so gesteuert werden, dass sich die Kristallwachstumsrate überhaupt nicht ändert (Änderung = 0).
(4.3) Heizelementtemperatursteuerung in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche:
In dem Fall, wo die Höhe y(t) der Fest-Flüssig-Grenzfläche, die durch Gleichung (17) erhalten wird, sich verschoben hat, um von der ursprünglichen Temperatur abzuweichen, wird eine Steuerung so gemacht, um die Temperatur des Heizelementes zu ändern, d.h. die Temperaturverteilung in dem Kristallwachstumsofen, so dass die Temperatur in der Umgebung der Höhe y(t) der Fest-Flüssig-Grenzfläche zu dem Schmelzpunkt kommt.
Eine noch weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallwachstumsofen mit einer Vielzahl von Temperaturerfassungselementen für ein Erfassen einer Temperatur des Wachstumsmaterials versehen ist, die in einer Ebene vorgesehen sind, die die Richtung von Kristallwachstum schneidet, und dass der Kristallwachstumsofen gesteuert wird auf Basis der Temperatur, die durch die Vielzahl von Erfassungselementen erfasst wird, d.h. auf Basis der Information der Temperaturverteilung; wobei der Ofen so gesteuert wird, dass die isotherme Fläche des Wachstumsmaterials an der Seite einer flüssigen Phase konvex gehalten wird.
In einem Versuch einen großen Einkristall mit einem großen Durchmesser herzustellen durch Verwendung eines Kristallwachstumsofens, neigt der resultierende Kristall dazu, einen nicht gleichförmigen Beugungsindex zu haben, weil die Temperatur zwischen dem Zentrum und der Umgebung des Tiegels verschieden ist während dem Kristallwachstum. Um einen guten Einkristall zu erhalten, ist es demzufolge wünschenswert, die Temperaturverteilung in dem Tiegel zu steuern. Dies kann in der folgenden Weise erklärt werden.
Bis ein Kristall an der gesamten Unterseite eines Tiegels gewachsen ist, bei der das Kristallwachstum beginnt von einem Punkt bei dem Zentrum des Tiegels, ist es wünschenswert, dass die Fest-Flüssig-Grenzfläche in einer nach oben konvexen, isothermen Kurve ist (mit "isothermer Kurve" ist hier eine Kurve gemeint, die, wenn man sie im Querschnitt sieht, ausgebildet ist durch Verbinden der Punkte von gleicher Temperatur in dem Tiegel in einer Linie), so dass ein Kristall nicht von einem anderen Teil, so wie den Ecken des Tiegels, wächst. Sogar eine leichte Störung der Temperaturverteilung, die eine solche nach oben konvexe, isotherme Kurve hat, kann bewirken, dass Kristallwachstum beginnt, das nicht bei seinem Zentrum stattfindet, als ein Keim, so dass ein polykristallines Produkt ausgebildet wird. Dies muss verhindert werden.
In einem Tiegel, dessen Unterseite eine leicht konische Form hat, kann das polykristalline Produkt kaum ausgebildet werden, auch nicht mit solch einer leichten Störung der Temperaturverteilung, die eine nach oben konvexe, isotherme Kurve hat. Jedoch führt das Großmachen des halben vertikalen Winkels der konischen Form das Problem herbei, dass der Tiegel strukturell eine große Größe hat, und das Problem, dass Änderungen eines Wärmefreisetzwerts, der latenter Wärme zuschreibbar ist, aufgrund einer Änderung der Querschnittsfläche des Tiegels, der eine gewisse Position während seines Absenkens passiert, oder dass Änderungen der Menge von Wärme, die von einem Kühlstab entwichen ist, eine Temperaturverteilung des Inneren beeinflussen können. Demzufolge ist es vorzuziehen, dass sogar der konische Tiegel mit einer Temperaturverteilung versehen ist, die eine geeignete nach oben konvexe, isotherme Kurve hat.
Nachdem der Kristall auch an der gesamten Unterseite des Tiegels gewachsen ist, ist es wünschenswert eine Temperaturverteilung vorzusehen, die eine leicht nach oben konvexe, isotherme Kurve erhalten kann. Dies ist so, weil, wenn die isotherme Kurve leicht nach oben konvex ist, dann kann die Fest-Flüssig-Grenzfläche, die eine Grenzfläche zwischen einer flüssigen Phase und einer festen Phase ist, nach oben konvex sein, wie in 9A gezeigt ist. Daher verhalten sich Streukristalle, die an der Wandfläche produziert werden, so, dass sie in der Richtung von Normalen von der Grenzfläche wachsen, um mit der Seitenwand des Tiegels blockiert zu werden. Wenn die isotherme Kurve andererseits nach unten konvex ist, wachsen die Streukristalle, die an der Wand oder der Fest-Flüssig-Grenzfläche produziert werden, zu dem Zentrum des Tiegels hin und verschwinden nicht, und daher kann ein Wachstum von einem guten Einkristall nicht erwartet werden. Um die nach oben konvexe Temperaturkurve zu erhalten, hat ein herkömmliches Gerät, wie zum Beispiel im US-Patent Nr. 2,214,976 offenbart ist, eine zusätzliche Struktur, bei der Kühlwasser durch den tiegelabstützenden Stab fließt, um die Temperatur des Tiegels bei seinem Zentrum zu verringern und gleichzeitig ist der tiegelabstützende Stab mit einem Thermoelement versehen, um die Temperatur des Tiegels bei seinem Zentrum zu messen.
Wenn jedoch das Kristallwachstum in dem Zustand bewirkt wird, in dem der Tiegel eine Temperaturverteilung bzw. -streuung in seiner Querschnittsebene hat, werden notwendigerweise interne Spannungen in dem resultierenden Kristall produziert. Wenn die isotherme Kurve zu stark nach oben konvex ist, kann außerdem der Teil, der sich früh verfestigt hat, ein Gleiten mit seinem Schrumpfen bewirken, und ein Übergang kann zu dem Inneren des Tiegels gebracht bzw. ausgebildet werden, was es unmöglich macht, einen gleichförmigen Kristall herzustellen. Wenn der beabsichtigte Kristall nicht zu groß im Durchmesser ist und eine Ebene, die senkrecht zu der Richtung von Kristallwachstum ist, einen Durchmesser im Zentimeterbereich hat, wie in herkömmlichen Fällen, ist die Temperaturverteilung, wenn überhaupt, in der Durchmesserrichtung des Kristalls nicht so groß, und daher ist eine thermische Spannung, die nach dem Kristallwachstum verbleibt, auch gering. In einem Versuch, einen Kristall herzustellen, der einen Durchmesser von Hunderten von Millimetern hat, kann jedoch das Problem bemerkenswert auftreten, dass der resultierende Kristall einen ungleichförmigen Beugungsindex hat, aufgrund einer Differenz der Temperatur zwischen dem Tiegelzentrum und seiner Umgebung während des Kristallwachstum. Des weiteren kann der Kristall in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Temperaturverteilung brechen.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann ein Einkristall mit großem Durchmesser, der einen gleichförmigen Beugungsindex hat, produziert werden, solange die Temperaturverteilung, die eine nach oben konvexe, isotherme Kurve hat, in dem Tiegel erreicht wird. Hierzu muss sich jedoch technischen Gebieten, wie nachstehend diskutiert ist, zugewendet werden.
Probleme beim Messen einer Temperaturverteilung und der Temperatursteuerung:
In dem Fall eines Tiegels, der einen großen Durchmesser hat, kann die Temperaturverteilung, die eine geeignete nach oben konvexe, isotherme Kurve hat, nicht erreicht werden, wenn die Temperaturverteilung nicht strikt gesteuert wird.
Das Gerät für ein Produzieren eines Kristalls ist zum Beispiel mit einer Vielzahl von Thermoelementen an der Unterseite des Tiegels in einer gleichen Ebene versehen, als eine Messeinrichtung für ein Messen der Temperatur bei einer Vielzahl von Punkten in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung des Kristallwachstums ist. Auf Basis der Ergebnisse der Messung der Temperatur durch diese Messeinrichtung wird der Kristallwachstumsofen so gesteuert, dass die Temperatur niedriger wird zu dem Zentrum des Tiegels hin. Als eine Einrichtung dafür werden zum Beispiel Kühlwasser oder ein Heizelement verwendet, und Eingaben für diese werden so gesteuert, dass der in der gleichen Ebene liegende Abschnitt mit gleicher Temperatur (nachstehend als "isotherme Fläche" bezeichnet) des Wachstumsmaterials in der Temperaturverteilung sein kann, die eine nach oben konvexe isotherme Kurve hat, und bei dem gewünschten Wert sein kann.
Von der Zeit an, bei der das Kristallwachstum beginnt, und bis das Kristallwachstum an der gesamten Unterseite des Tiegels beginnt, wird die Temperaturverteilung aufrechterhalten, die eine nach oben konvexe isotherme Kurve hat. Nachdem das Kristallwachstum begonnen an der gesamten Unterseite des Tiegels hat, wird der Kristallwachstumsofen so gesteuert, dass das Ausmaß der Temperaturverteilung, die eine nach oben konvexe isotherme Kurve hat, sanft sein kann, und nahe zu einer Temperaturverteilung kommen kann, die eine flache isotherme Kurve hat. Somit kann bewirkt werden, dass das Kristallwachstum immer von einem Punkt des Tiegelzentrums beginnt, und auch die Temperaturdifferenz zwischen dem Tiegelzentrum und seiner Umgebung kann gering gehalten werden. Daher kann ein gleichförmiger Kristall erhalten werden, der eine geringe innere Spannung hat. Gemäß dem Zustand des Kristallwachstums, der von den gemessenen Daten erhalten wird, wird des weiteren die Tiegelabsenkrate so bestimmt und gesteuert, dass die Kristallwachstumsrate in Übereinstimmung kommt mit der Tiegelabsenkrate, so dass kein Unterkühlen auftreten kann.
Um solch eine Steuerung zu machen, ist es notwendig, die Zeit zu kennen, bei der das Kristallwachstum beginnt und bei der das Kristallwachstum an der gesamten Unterseite des Tiegels begonnen hat. Demzufolge wird diese Zeit von der Temperaturänderung ΔT erfasst, die latenter Wärme zuschreibbar ist, wie in 5A gezeigt ist.
In dem Fall des Tiegels, wie er in 3 gezeigt ist, der ein Scheibentiegel genannt wird, hört das Kristallwachstum bei jedem Tiegel auf und das Kristallwachstum beginnt wieder, wenn der Tiegel weiter abgesenkt wird. Daraus folgt, dass die vorstehende Temperaturänderung viele Male wiederholt wird. Dies kann graphisch dargestellt werden, wie in 10 gezeigt ist. Eine Zeit t11 bis zu einer Zeit t14 entspricht einem Kristallwachstum an der ersten Scheibe und eine Zeit t21 bis zu einer Zeit t24 entspricht einem Kristallwachstum an der zweiten Scheibe.
Ein Thermoelement für eine Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohr, das hauptsächlich aus Tantal (Ta) oder Aluminiumoxid besteht, um wenigstens einen von Metalldrähten herum vorgesehen ist.
Als ein Verfahren zum Messen der Temperatur ist ein Verfahren verfügbar, das ein Strahlungsthermometer oder ein Thermoelement verwendet. In dem Fall, wo das Strahlungsthermometer verwendet wird, muss das Innenspektrum durch ein Sichtfenster oder dergleichen erfasst werden, das in der Kammerwand vorgesehen ist. Eine Verschmutzung von solch einem Fenster führt jedoch zu Messfehlern und des weiteren ist es schwierig, die Temperatur des Tiegels bei einer Vielzahl von Abschnitten zu messen. Demzufolge ist es vorzuziehen, das Thermoelement zu verwendet.
Da jedoch das Innere des Kristallwachstumsofens bei einer Temperatur von 1500°C oder oberhalb ist und des weiteren eine Atmosphäre von leitendem Staub ist, der aus Kohlenstoff oder Zink oder einem korrosiven Gas wie Fluorwasserstoff (HF) besteht, beinhaltet ein Versuch, das Thermoelement in dem Ofen, insbesondere in dem Tiegel anzuordnen, die folgenden Probleme.
Ummantelte Rohre von Thermoelementen korrodieren mit HF-Gas, oder es waren keine Thermoelemente verfügbar, die der Messung standhalten können, aufgrund der Reaktion mit Kohlenstoff. Selbst wenn ein schützendes Rohr, das dem atmosphärischen Gas standhalten kann, um das Thermoelement herum vorgesehen ist, müssen eine Vielzahl von schützenden Rohre verbunden werden und bei den Verbindungen gebogen werden, wenn das Thermoelement installiert wird und in der Form einer Biegung verwendet wird. Jedoch sind die Metalldrähte des Thermoelements bei den Verbindungen freigelegt und daher sind die Metalldrähte, die freiliegen, dem atmosphärischen Gas ausgesetzt, so dass sie beschädigt werden, oder Kohlenstoffstaub kann an ihnen anhaften, um die zwei Metalldrähte kurzzuschließen. In jedem Fall war es schwierig genaue Temperaturen zu messen.
Der Aufbau eines allgemein verfügbaren Thermoelements wird hier beschrieben. Das Thermoelement hat, wie in 11 gezeigt ist, zwei Metalldrähte 51 und 52, die aus Materialien geformt sind, die voneinander verschieden sind, deren eines Ende 53 geschweißt ist und deren anderes mit einem Spannungsmesser verbunden ist, wenn sie benutzt werde. Eine Spannung, die gemessen werden soll, wird durch Temperaturen bei den beiden Enden 53 und 54 der Metalldrähte 51 und 52 bestimmt.
In solch einem Thermoelement, um zu verhindern, dass Metalldrähte korrodieren aufgrund von Gas in der Messatmosphäre, oder um zu verhindern, dass sich die Metalldrähte kurzschließen, wird ein ummanteltes Thermoelement in einigen Fällen verwendet, wie in 12 gezeigt ist. Dieses Thermoelement hat ein ummanteltes Rohr 55, das im Inneren mit einem Isoliermaterial wie ein Berylliumoxid oder ein Hafniumoxid gefüllt ist, zwei Metalldrähte 51 und 52, die durch das Innere des ummantelten Rohrs 55 hindurchgehend sind, und einen verbindenden Teil 32, der bei einem Ende der des ummantelten Rohrs 55 vorgesehen ist. Die Metalldrähte 51 und 52 sind mit Zuleitungsdrähten 33 im Inneren des verbindenden Teils 32 verbunden. Als die Zuleitungsdrähte 33 werden Thermoelementmetalldrähte oder Verlängerungszuleitungsdrähte verwendet, die mit einem Beschichtungsmaterial 56 wie Teflon oder Glasfaser bedeckt sind. Die Verlängerungszuleitungsdrähte sind aus einem Metall gemacht, das im Wesentlichen die gleiche thermische elektromotorische Kraft hat wie die Thermoelementmetalldrähte, und sind, obwohl sie eine geringere Wärmebeständigkeit haben als die Thermoelementmetalldrähte, den Thermoelementmetalldrähten überlegen im Hinblick auf die Handhabbarkeit, den Kosten usw. Eine maximale Betriebstemperatur des verbindenden Teils 32 und der Zuleitungsdrähte 33 hängt von dem Beschichtungsmaterial 56 der Zuleitungsdrähte und dem Material des verbindenden Teils 32 ab und ist ungefähr 500°C. Die Verlängerungszuleitungsdrähte müssen auch in einem Temperaturbereich verwendet werden, wo sie die gleiche elektromotorische Kraft wie das Thermoelement zeigen. Weiter werden die Zuleitungsdrähte mit einem Messinstrument verbunden, und die Temperatur des ummantelten Rohrs 55 wird bei einer Temperaturmessverbindung bei ihrem oberen Ende 53 gemessen.
Als das ummantelte Rohr 55 wird ein Keramikrohr oder ein Rohr, das aus einem Metall wie Molybdän gemacht wird, ausgewählt, das eine Wärmebeständigkeit und eine Korrosionsbeständigkeit gegen die Messatmosphäre hat. Wo jedoch Umweltbeständigkeit wie Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Thermoelements erfordert sind, muss das ummantelte Rohr einen großen Durchmesser haben, so dass Flexibilität verloren geht.
Demzufolge wird in der vorliegenden Ausführungsform Tantal oder eine Tantallegierung oder Aluminiumoxid verwendet als ein Material für das ummantelte Rohr oder Schutzrohr, um der Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und gleichzeitig der Flexibilität zu genügen. Dies basiert auf den folgenden experimentellen Ergebnissen.
Hochschmelzende Materialien, die einen Schmelzpunkt von 1500°C oder darüber haben, wurden tatsächlich HF-Gas ausgesetzt, um ihre Haltbarkeit zu untersuchen. Des Weiteren waren diese zwischen Kohlenstoffplatten eingesetzt, um ihre Reaktion mit Kohlenstoff bzw. Carbon zu prüfen. Ergebnisse, die erhalten wurde sind, sind in Tabelle 2 gezeigt als ein Verlust der Dicke oder der Masse pro Tag.
Tabelle 2
Wie man aus Tabelle 2 sehen kann, ist es offensichtlich geworden, dass Ta und Al₂O₃ (> 99% Reinheit) die Bedingungen erfüllen, dass sie eine Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegen Gas in den Fluoridkristallwachstumsofen haben und nicht mit Kohlenstoff reagieren. Somit wurde herausgefunden, dass ein ummanteltes Thermoelement, das ein ummanteltes Rohr hat, das aus Ta gemacht ist, und/oder ein Thermoelement ist, das ein Schutzrohr hat, das aus Al₂O₃ gemacht ist (> 99% Reinheit), bevorzugt ist für ein Messen der Temperatur des Tiegels und des Heizelements in dem Fluoridkristallwachstumsofen. Die Metalldrähte 51 und 52 des Thermoelements können von irgendeiner Art sein, die ausgewählt werden können unter in Betrachtziehen der Temperatur, die gemessen werden soll. Beim Messen von Temperaturen von z.B. oberhalb 1500°C können ein Platin/Rhodium-Platinthermoelement (spezifiziert durch das Symbol B oder R des JIS C1602 Standards) und ein Wolfram/Rhenium-Thermoelement verwendet werden.
Ein Temperaturmesssystem für eine Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der verbindende Teil des Thermoelements, bei dem der ummantelte Abschnitt und Zuleitungsdrähte verbunden sind, bei 500° oder niedriger gehalten wird. Hier kann der Zuleitungsdraht ein Metalldraht oder ein Verlängerungszuleitungsdraht sein, der aus dem selben Material gemacht ist, wie das des Thermoelements.
Um den verbindenden Teil und Zuleitungsdrähte bei 500°C oder niedriger zu halten, kann des Weiteren vorzugsweise ein Element, das aus 500°C oder niedriger gekühlt wird, zwischen dem oberen Ende des Thermoelements und dem verbindenden Teil vorgesehen sein. Alternativ kann ein Thermoelementgehäuse für ein Halten des verbindenden Teils und der Zuleitungsdrähte an dem gekühlten Element von 500°C oder niedriger befestigt sein. Als eine weitere Alternative ist es auch vorzuziehen, den verbindenden Teil bei einer Position anzuordnen, die bei 500°C oder niedriger gehalten wird.
In einer weiteren Ausführungsform des Temperaturmesssystems der vorliegenden Erfindung ist ein Temperaturmesssystem für ein Messen der Temperatur eines sich bewegenden Objekts durch ein Thermoelement, das in einer Kammer vorgesehen ist, deren Inneres bei einem Unterdruck bzw. Vakuum gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Einrichtung hat, durch die eine Durchführung für ein Verlängern des Thermoelements nach außen von der Kammer zusammen mit dem sich bewegenden Objekt bewegt wird.
Wenn das Thermoelement an einem sich bewegenden Objekt befestigt wird, das einen Tiegel usw. hat, kann das Thermoelement mit der Bewegung abweichen, so dass das ummantelte Material (ummanteltes Rohr) usw. einer Biegung oder einem Schrumpfen nicht widerstehen kann, was eine Möglichkeit herbeiführt, dass das Thermoelement verbiegt oder bricht.
Gemäß der vorstehenden Ausführungsform kann eine Abweichung des Thermoelements mit der Bewegung des Tiegels absorbiert werden durch die Zuleitungsdrähte, sogar dann, wenn z.B. eine Ta-Ummantelung und/oder ein Schutzrohr verwendet wird, das aus Ta, einer Ta-Legierung oder Al₂O₃ besteht, die keine Flexibilität haben.
Eine Durchführung für eine Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist eine Durchführung eines Thermoelements, die verwendet wird, um das Thermoelement nach außen von einer Kammer zu verlängern, deren Inneres bei einem Unterdruck, bzw. Vakuum gehalten wird, und ist dadurch gekennzeichnet, dass:
ein Durchführungsrahmen bei einem Ende der Kammer vorgesehen ist;
wenigstens ein Zylinder in dem Rahmen befestigt ist, der aus einem Isoliermaterial ausgebildet ist und mit einem Durchgangsloch in seiner axialen Richtung versehen ist; wobei ein Metalldraht oder ein Verlängerungszuleitungsdraht durch das Durchgangsloch hindurchgehen kann, wobei das Durchgangsloch verschlossen werden kann mit einem isolierenden Klebemittel nachdem der Metalldraht oder Verlängerungszuleitungsdraht hindurchgeführt worden ist; und
ein O-Ring zumindest zwischen dem Zylinder und dem Durchführungsrahmen vorgesehen ist, in dem der Zylinder befestigt worden ist, um das Innere der Kammer bei einem Unterdruck bzw. Vakuum zu halten.
Um die Temperaturänderungen des Tegels zu messen, ist eine hohe Messgenauigkeit erforderlich. Besonders wenn das Thermoelement verwendet wird, um eine Temperatur unter solch einer Bedingungen zu messen, dass das Innere einer Kammer, in der die Ofenelemente wie der Tiegel und das Heizelement installiert sind, bei einem Unterdruck bzw. Vakuum gehalten wird, neigen Fehler in der Temperaturmessung dazu aufzutreten bei der Durchführung, die verwendet wird, um das Thermoelement nach außen von der Kammer zu verlängern. Dies ist aufgrund der Kammer, deren Inneres bei einem Unterdruck bzw. Vakuum gehalten wird, und daher keine Temperaturvariation erfährt, die gemäß einer Raumtemperatur auftreten kann. Aus diesem Grund wird ein Temperaturunterschied erzeugt zwischen dem Kristallwachstumsofen (das Innere der Kammer) und der freien Luft (die Außenseite bzw. außerhalb der Kammer), und eine thermische elektromotorische Kraft, die hier erzeugt wird, beeinflusst die Messung, die durch das Thermoelement gemacht wird.
Wo die Metalldrähte des Thermoelements zu der Außenseite der Kammer verlängert sind, ist ein Verfahren verfügbar, das eine Durchführung verwendet, die, wie in 13 gezeigt ist, einen Metallrahmen 48 hat, an dem ein Isoliermaterial 45 wie Keramik (z.B. Al₂O₃) oder Glas in solch einer Weise befestigt worden ist, dass Zuleitungsdrähte 33 des Thermoelements, wie Metalldrähte oder Verlängerungszuleitungsdrähte vorher befestigt werden, um nicht ein Zusammenbrechen des Unterdrucks bzw. Vakuums zu verursachen. In solch einem Verfahren ist es jedoch schwierig, den Typ des Thermoelements später zu ändern. Darüber hinaus kann in einer Atmosphäre, wo Kohlenstoffstaub vorhanden ist, der Kohlenstoffstaub an der Durchführungsfläche anhaften, um dazu zu neigen, die Metalldrähte kurzzuschließen, um Messfehler zu verursachen.
Unterdessen ist, wo ein ummanteltes Thermoelement zur Außenseite des ummantelten Abschnitts verlängert ist, ein Verfahren verfügbar, das eine Durchführung verwendet, die wie in 14 gezeigt ist, einen Metallrahmen 48 hat, an dem ein Isoliermaterial 45 wie Keramik (z.B. Al₂O₃) oder Glas in solch einer Weise befestigt worden ist, dass Metallrohre 46 vorher befestigt werden, um nicht ein Entweichen des Unterdrucks bzw. Vakuums zu verursachen. In diesem Fall werden Zuleitungsdrähte durch einige Metallrohre 46 hindurchgeführt, und der Raum zwischen jedem Metallrohr 46 wird jedem Zuleitungsdraht und dem Inneren eines leeren Metallrohrs 46 wird mit einem Lötmittel 47 abgedichtet. Die Verwendung eines Lötmittels 47 verursacht jedoch Messfehler aufgrund eines Unterschieds zwischen einer Innen- und Außentemperatur. Ein Klebemittel kann anstelle des Lötmittels verwendet werden. Wenn das Thermoelement jedoch einmal eingesetzt worden ist, ist es schwierig das Thermoelement abzunehmen, sogar dann, wenn das Thermoelement nicht länger notwendig ist. Daneben gibt es immer eine Möglichkeit, dass ein Kontaktpotenzial produziert wird aufgrund eines Bruchs einer Isolierung zwischen den Metallrohren und den Thermoelementmetalldrähten, so dass Messfehler verursacht werden.
In der vorliegenden Erfindung, um solche Probleme zu lösen, hat die Durchführung des Thermoelements, wie in 15 gezeigt ist, einen Durchführungszylinder 42, der aus einem Isoliermaterial ausgebildet ist und mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern (nicht dargestellt) in seiner axialen Richtung versehen ist, durch die Zuleitungsdrähte hindurch geführt sind. Der Raum zwischen den Zuleitungsdrähten und jedem Durchgangsloch des Durchführungszylinders 42 ist mit einem Klebemittel vakuumabgedichtet und die Zuleitungsdrähte des Thermoelements sind an der Seite der Kammer verbunden. Mit solch einem Aufbau kann der Durchführungszylinder in einer Vielzahl im Voraus vorbereitet werden, so dass das Thermoelement in einer gewünschten Anzahl eingesetzt werden kann ohne Rücksicht auf die Typen von Thermoelementen.
In einem Zustand, wo das Innere der Kammer mit Kohlenstoffstaub verschmutzt ist, kann der Kohlenstoffstaub an einem O-Ring anhaften, der die Durchführung abschließt, um dazu zu neigen, den Unterdruck bzw. das Vakuum zu zerstören, oder dazu neigen, die Zuleitungsdrähte bei der Durchführungsoberfläche kurzzuschließen. In solch einem Fall kann die Durchführung so angeordnet sein, dass ihre Fläche an der Seite der Kammer, zu deren Fläche der Durchführungszylinder mit einer flachen Oberseite eingestellt ist, in der Schwerkraftrichtung (d.h. Vertikalrichtung) ist oder von der Vertikalrichtung zu der Horizontalrichtung hin geneigt ist.
Spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend zuerst an dem Gerät zum Produzieren eins Kristallartikels beschrieben.
(Ausführungsform 1)
16 ist eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform des Geräts. Es zeigt ein Beispiel eines Kristallwachstumsgeräts, das einen Ofen hat, dessen Inneres in eine erste Hochtemperaturregion (Hochtemperaturregion) und eine zweite Niedrigtemperaturregion (Niedrigtemperaturregion) unterteilt ist, die jeweils durch ein Heizelement temperaturgesteuert werden, das unabhängig vorgesehen ist. In dem Gerät, das in 16 gezeigt ist, wird die Temperatur eines Tiegels bei seiner Unterseite gemessen, um die Tiegelabsenkgrade so zu steuern, dass der Kristallwachstumsofen gesteuert werden kann. Hier wird die Temperatur eines Tiegels bei seiner Unterseite als die Temperatur eines Wachstumsmaterials betrachtet.
In 16 bezeichnen Bezugszeichen 1a und 1b ein erstes Heizelement bzw. ein zweites Heizelement; 2a und 2b Energiequellen für das erste bzw. zweite Heizelement; 3 einen Tiegel; 4 ein Wachstumsmaterial, das in den Tiegel gegeben wird; 6 eine Steuereinheit; 7 einen tiegelabstützenden Stab; 8 ein Wärmeisoliermaterial, das unterhalb des Tiegels vorgesehen ist; 9 eine Leitung für ein Kühlmittel; 10 ein Fließweg für das Kühlmittel; 11 einen Kühlmitteleinlass; 12 ein Strömungsratenregelventil; 13 einen Hoch- und Runtermechanismus für ein Absenken des Tiegels über den tiegelabstützenden Stab 7; 14 eine Unterdruck- bzw. Vakuumkammer; 15 ein Wärmeisoliermaterial; 16 eine Auslasskammer; 17 eine Auslassentlüftung; und 18 ein Temperaturerfassungselement wie das Thermoelement.
Das Innere der Unterdruck- bzw. Vakuumkammer 14, die aus einem Metall wie rostfreiem Stahl gemacht ist, wird von der Auslassentlüftung 17 durch die Auslasskammer 16 hindurch evakuiert, und der Druck in der Kammer wird bei 1,33 × 10^–3 Pa bis 1,33 × 10^–4 Pa gehalten. Das Wärmeisoliermaterial 15 ist an der Innenwand der Vakuumkammer 14 befestigt, und hat eine Struktur, die nicht zulässt, dass die Wärme entweicht, die durch die Heizelemente 1a und 1b erzeugt wird. Die Heizelemente 1a und 1b sind aus einem Kohlenstoffmaterial oder dergleichen ausgebildet und werden durch die Energiequellen 2a bzw. 2b elektrisch betrieben, um Wärme zu erzeugen. Dann wird die Wärme, die auf diese Weise erzeugt wird, durch Strahlung zu dem Tiegel 3 zugeführt, der im Inneren der Heizelemente 1a und 1b platziert ist. Der Tiegel 3 ist aus einer Substanz wie Carbon gemacht, die nicht mit dem Wachstumsmaterial 4 eines Kristalls reagiert. Das Wachstumsmaterial 4 eines Kristalls wie Calciumfluorid wird in dem Tiegel 3 gehalten. Des Weiteren ist der tiegelabstützende Stab 7 für ein Abstützen des Tiegels unterhalb des Tiegels angeordnet. Der tiegelabstützende Stab 7 ist an dem Hoch- und Runtermechanismus 13 angeordnet, und der Hoch- und Runtermechanismus 13 wird in Übereinstimmung mit Instruktionen angetrieben, die von der Steuereinheit 6 ausgegeben werden, und auf diese Weise wird der Tiegel 3 nach oben und nach unten bewegt.
Als ein Temperatursteuermechanismus, der von den Heizelementen 1a und 1b verschieden ist, ist der Kühlmittelfließweg 10, durch den ein Kühlmittel wie Kühlwasser fließt, im Inneren des tiegelabstützenden Stabs 7 vorgesehen. Das Kühlmittel, das von dem Kühlmitteleinlass 11 eingeflossen ist, fließt in den Fließweg 10 durch das Regelventil 12, nimmt die Wärme von dem tiegelabstützenden Stab 7 weg, während es durch das Innere des tiegelabstützenden Stabs 7 hindurchgeht, und wird von einem Auslass ausgelassen. Die Kühlkapazität bzw. -fähigkeit, die dem Kühlmittel zuschreibbar ist, hängt im Allgemeinen von der Temperatur und der Fließrate des Kühlmittels ab. In dem vorliegenden Beispiel ist die Kühlkapazität durch die Fließrate durch Steuern des Strömungsratenregelventils 12 mit der Steuereinheit 6 bestimmt. Wenn die Temperatur des Tiegels bei seinem Zentrum zu hoch ist, wird demzufolge die Kühlkapazität gesteigert durch Öffnen des Strömungsratenregelventils 12, wodurch die Temperatur des Tiegels bei seinem Zentrum verringert werden kann.
Das Thermoelement 18 als ein Temperaturerfassungselement ist den tiegelabstützenden Stab 7 eingesetzt, und seine Spitze kommt in Kontakt mit der Unterseite des Tiegels 3, so dass die Temperatur des Tiegels bei seinem Zentrum gemessen werden kann. Dann wird die Temperatur, die mit dem Thermoelement 18 gemessen wurde, in ein Temperaturmessinstrument 19 eingegeben, und eine Temperaturinformation, die in diesem erfasst wurde, wird zu der Steuereinheit 6 weitergeleitet. Hier erfasst das Temperaturmessinstrument 19 und/oder die Steuereinheit 6 die Temperaturänderung ΔT, die latenter Wärme zuschreibbar ist, und die Steuereinheit 6 steuert den Kristallwachstumsofen in Übereinstimmung mit der Information, die die Temperaturänderung ΔT zeigt, die latenter Wärme zuschreibbar ist.
Wie das Gerät arbeitet, das wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist, wird nachstehend beschrieben.
Zuerst wird elektrische Energie zu den Heizelementen 1a und 1b zugeführt und der Tiegel 3 wird geheizt, wobei er gehalten wird wie er ist, bis das Wachstumsmaterial wie CaF₂, das in ihm gehalten wird, in ausreichender Weise geschmolzen ist. Da das Wachstumsmaterial 4 eine große Wärmekapazität hat und einen kleinen Hitzefreisetzwert hat, braucht es einige Stunden bis einige Tage, nachdem die Energie der Heizelemente 1a und 1b konstant gemacht worden ist, bis das Wachstumsmaterial in ausreichender Weise schmilzt und stabil wird. Während diesem Schmelzen wird die Temperatur des Tiegels 3 bei seiner Unterseite mit dem Thermoelement gemessen, das an der Unterseite des Tiegels 3 angeordnet bzw. befestigt ist. Die Daten der Temperatur, die gemessen wurde, werden durch das Messinstrument 19 zu der Steuereinheit 6 gesendet, wo die Temperatur des Tiegels 3 aufgezeichnet wird. Ob das Wachstumsmaterial in ausreichender Weise geschmolzen ist oder nicht, und ob es stabil geworden ist oder nicht, kann von zeitlichen Änderungen der Temperatur des Tiegels 3 beurteilt werden. Wenn eine gewisse Temperatur für eine lange Zeit aufrecht erhalten worden ist, wird erachtet, dass das geschmolzene Wachstumsmaterial stabil geworden ist.
Wenn die Temperatur des Tiegels 3 bei seinem Zentrum nicht am niedrigsten ist, d.h. wenn die isotherme Kurve in dem Tiegel 3 nicht nach oben konvex ist, gibt die Steuereinheit 6 Instruktionen zu der Energiequelle 2a des Heizelements 1a, um die elektrische Energie zu erhöhen und gleichzeitig gibt sie Instruktionen zu dem Strömungsratenregelventil 12, um die Kühlkapazität des tiegelabstützenden Stabs 7 zu erhöhen.
Um das Wachstumsmaterial zu veranlassen sich zu verfestigen, während die isotherme Kurve in dem Tiegel 3 nach oben konvex in einer Temperaturverteilung gehalten wird, gibt die Steuereinheit 6 Instruktionen zu dem Hoch- und Runtermechanismus 13, um den Tiegel 3 abzusenken. Hier kann der Tiegel bei einer Rate von 0,1 mm/Std. bis 10 mm/Std. abgesenkt werden. Da jedoch der Tiegel schneller bei dem Zentrum erkaltet als bei seinen Außenbereichen, macht es eine zu hohe Tiegelabsenkrate für das Wachstumsmaterial bei dem Zentrum unmöglich das Absenken der Temperatur einzuholen, was es unmöglich macht die isotherme Kurve in dem Tiegel 3 nach oben konvex zu halten. In solch einem Fall wird die Tiegelabsenkrate klein gemacht.
Wo das Kristallwachstum begonnen hat, tritt eine Temperaturänderung des Tiegels 3 auf, wie durch die Zeit t1 in 5A gezeigt ist. Bei diesem Zeitpunkt gibt es eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass das Kristallwachstum nicht beginnt, obwohl die Temperatur den Schmelzpunkt erreicht hat, und eine große Region von Unterkühlung ist aufgetreten, wie in 4B gezeigt ist. Demzufolge wird die Tiegelabsenkrate klein gemacht bei der Zeit t1. Dies kann die Unterkühlungsregion klein machen. Als eine andere Einrichtung kann die Strömungsrate des Kühlwassers im Inneren des tiegelabstützenden Stabs 7 so gesteuert werden, dass sie erhöht wird, so dass die Temperatur des Tiegels bei seinem Zentrum verringert wird, um ein Beginnen des Kristallwachstums zu veranlassen. Noch bevorzugter kann die vorstehende Operation gemacht werden, nachdem das Kristallwachstum stattgefunden hat und die isotherme Kurve nicht mehr nach oben konvex gehalten werden kann aufgrund latenter Wärme usw. Somit kann die isotherme Kurve immer nach oben konvex gehalten werden.
Nachdem das Kristallwachstum in einem Zustand der Zeit t2 gekommen ist, der in 5A gezeigt ist, wird als nächstes die Rate von Kristallwachstum konstant gehalten. In Übereinstimmung mit der Information, die durch das Temperaturmessinstrument 19 zu der Steuereinheit 6 gesendet wird, über die Temperatur, die mit dem Thermoelement 18 gemessen wird, das an dem Tiegel 3 angeordnet ist, wird die Kristallwachstumsrate (dh/dt) bestimmt gemäß der Passage, wie man die Kristallwachstumsrate und die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche findet, die vorstehend beschrieben ist. Als eine Folge gibt, wenn die Kristallwachstumsrate niedriger geworden ist als die Tiegelabsenkrate, die Steuereinheit 6 Instruktionen zu dem Hoch- und Runtermechanismus 13, um die Tiegelabsenkrate so zu verringern, dass die Tiegelabsenkrate in Übereinstimmung mit der Kristallwachstumsrate kommt. Wenn umgekehrt die Kristallwachstumsrate höher geworden ist als die Tiegelabsenkrate, kann die Steuerung so gemacht werden, dass die Tiegelabsenkrate höher gemacht wird, um die Zeit des Kristallwachstums zu verkürzen.
Nachdem das Kristallwachstum in den Zustand der Zeit t4 gekommen ist, wird das Kristallwachstum auf diese Weise beendet. In diesem Verlauf hat sich die Kristallwachstumsrate (dh/dt) bei der Zeit t3 geändert, aber es ist unnötig eine präzise Steuerung zu machen, weil die Zeit t3 ein Endpunkt des Kristalls ist. Jedoch kann die Steuerung in geeigneter Weise so gemacht werden, dass die Tiegelabsenkrate nicht niedrig wird bei der Zeit t3. Die Zeit, bei der die Kristallwachstumsrate niedrig geworden ist, wird beurteilt als der Endpunkt des Kristalls, solange die Distanz, bei der sich der Tiegel von der Position der Zeit t1 abgesenkt hat, gleich ist zu Länge des Tiegels in der Vertikalrichtung.
Das Thermoelement kann auch wahlweise an der Seitenwand des Tiegels 3 oder an der Unterseite des Tiegels 3 vorgesehen sein, um die Temperaturverteilung, hoch präzise zu halten, wo die isotherme Kurve leicht nach oben konvex ist.
(Ausführungsform 2)
17 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer zweiten Ausführungsform des Geräts. Diese Ausführungsform ist unterschiedlich von Ausführungsform 1 darin, dass die Temperaturänderungen des Wachstumsmaterials gefunden werden durch ein Messen von Temperaturänderungen in der Umgebung des Tiegels, um die Tiegelabsenkrate zu bestimmen (gemeinsame Komponenten sind mit gleiche Bezugszeichen bezeichnet). In dieser Ausführungsform wird die Temperatur in der Umgebung des Tiegels als die Temperatur des Wachstumsmaterials betrachtet.
In dem Gerät der ersten Ausführungsform wird nur ein Thermoelementanstieg gemessen, der latenter Wärme zuschreibbar ist, die erzeugt wird, wenn das Wachstumsmaterial kristallisiert. Da in solch einer Ausführungsform sich die Temperatur mit der Bewegung des Tiegels verringert, ist eine Datenverarbeitung erforderlich, um die Komponente zu entfernen, die dieser entspricht.
Im Gegenteil dazu ist in dem Gerät der vorliegenden Ausführungsform ein Thermoelement 18 an einem Zylinder 20 für Temperaturmessung angeordnet, der bei einer Position vorgesehen ist, die kaum durch die Absenkung des Tiegels 3 beeinflusst wird. Ein Thermoelement 18 für eine Temperaturmessung kann auch fest bei einer Position angeordnet sein, wo das Wachstumsmaterial kristallisiert und die Temperaturänderung ΔT, die latenter Wärme zuschreibbar ist, kann von den Ergebnissen der Temperaturmessung gefunden werden. Mit Änderungen der Temperatur des Tiegels 3, erhöht sich die Strahlung von dem Tiegel, um die Temperatur des Zylinders 20 für eine Temperaturmessung zu erhöhen, der in der Umgebung des Tiegels 3 platziert ist und der z.B. aus einem Kohlenstoffmaterial gemacht ist. Dies ermöglich es sofort das Erfassungsergebnis zu erhalten, wie in 5B gezeigt ist, und die Rate des Absenkens des Tiegels 3 wird auf Basis dieses Ergebnisses gesteuert.
In der vorliegenden Erfindung ist der Zylinder 20 für Temperaturmessung in den Raum zwischen dem Tiegel 3 und dem Heizelement 1a eingesetzt. In dem Fall, wo der Raum klein ist oder das Thermoelement 18 eine geringe Wärmekapazität hat, kann nur das Thermoelement 18 eingesetzt sein ohne den Zylinder 20 vorzusehen, oder ein nichtzylindrisches kleines Stück (nicht dargestellt) für eine Messung der Temperaturänderungen kann vorgesehen sein. Das Thermoelement 18 kann auch direkt an dem Heizelement 1a oder 1b angeordnet sein. In diesem Gerät wird auch die Temperaturänderung ΔT erfasst, die latenter Wärme zuschreibbar ist, und die Tiegelabsenkrate wird verringert oder die Strömungsrate des Kühlmittels wird erhöht, um den Unterschied zwischen der Kristallwachstumsrate und der Tiegelabsenkrate zu steuern.
(Ausführungsform 3)
18 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer dritten Ausführungsform des Geräts. Diese Ausführungsform ist verschieden von Ausführungsform 1 dadurch, dass die Temperatur des Tiegels mit einem Strahlungsthermometer gemessen wird, das anstelle des Thermoelements verwendet wird, um die Tiegelabsenkrate zu steuern (gemeinsame Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet).
In dem Gerät, das in 18 gezeigt ist, ist ein Fenster 21 für ein Strahlungsthermometer 22 an der Seitenwand der Kammer vorgesehen, und die Temperatur des Tiegels 3 wird mit dem Strahlungsthermometer 22 durch das Fenster 21 gemessen. Die Distanz zwischen dem Heizelement 1a und dem Fenster 21 kann in geeigneter Weise so eingestellt sein, dass ein Staub oder ein Gas, das von Kohlenstoff oder einem Material freigesetzt wird, nicht an dem Fenster 21 anhaftet. Ein kleines Loch ist in dem Isoliermaterial 15 und dem Heizelement 1a so gemacht, dass der Tiegel 3 direkt durch das Fenster 21 gesehen werden kann.
Information über die Temperatur, die mit dem Strahlungsthermometer 22 gemessen wird, wird zu der Steuereinheit 6 gesendet und wird in der selben Weise verarbeitet wie in Ausführungsformen 1 und 2, die vorstehend gegeben sind, um die Absenkrate des Tiegels 3 zu steuern.
(Ausführungsform 4)
19A und 19B sind schematische Querschnittsdarstellungen einer vierten Ausführungsform des Geräts. Diese Ausführungsform ist verschieden von Ausführungsform 3 dadurch, dass die Temperatur des Tiegels bei seiner Unterseite mit einem Strahlungsthermometer gemessen wird, um die Tiegelabsenkrate zu steuern (gemeinsame Komponenten sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet). 19A ist eine Ansicht, die das gesamte Gerät bezeigt, und 19B ist eine vergrößerte Teilansicht der Umgebung des Strahlungsthermometers.
In dem Gerät, das in 19A und 19B gezeigt ist, ist ein Fenster 21 für ein Strahlungsthermometer 22 unterhalb des tiegelabstützenden Stabs 7 des Tiegels 3 so vorgesehen, dass die Temperatur des Tiegels 3 bei seiner Unterseite gemessen werden kann. Gerade vor dem Fenster 21 für das Strahlungsthermometer 22 ist ein Verschluss 23 angeordnet und dieser wird nur zu der Zeit einer Messung geöffnet, um die Temperatur des Tiegels 3 bei seiner Unterseite zu messen. Dann wird die Temperaturänderung ΔT, die latenter Wärme zuschreibbar ist, in der selben Weise erfasst wie in Ausführungsformen 1 bis 3, um den Kristallwachstumsofen in Übereinstimmung mit der erfassten Temperaturinformation zu steuern.
(Ausführungsform 5)
20 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer fünften Ausführungsform des Geräts. Dieses Gerät ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturänderung ΔT, die latenter Wärme zuschreibbar ist, gemessen wird und die Höhe y(t) der Fest-Flüssig-Grenzfläche von dem gemessenen Wert und Gleichung (7) gefunden wird, um den Kristallwachstumsofen zu steuern durch Änderung der Temperatur eines Heizelements, der in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche gelegen ist (gemeinsame Komponenten sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet).
Wie vorstehend mit Bezug auf den Stand der Technik beschrieben ist, verursacht das Auftreten der Region der Unterkühlung eine Abweichung der Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche von der Position des Schmelzpunkts. Demzufolge wird in dem Gerät der vorliegenden Ausführungsform die Temperatur in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche gemessen.
Wie in 20 gezeigt ist, ist das Heizelement 1 in eine Vielzahl von Heizelementen 1a bis 1g unterteilt, an denen jeweils Energiequellen 2a bis 2g angeordnet sind. Die Energiequellen 2a bis 2g werden durch die Steuereinheit 6 gesteuert. Somit kann das Wachstumsmaterial 4, das in dem Tiegel 3 gehalten wird, gesteuert werden, um eine gewünschte Temperaturverteilung zu haben. Des Weiteren ist das Thermoelement 18 in den Raum zwischen dem Heizelement 1 und dem Tiegel 3 eingesetzt. Ein Balg 24 ist an der Unterseite der Unterdruck- bzw. Vakuumkammer 14 angeordnet und das Thermoelement 18 ist nach außen zu der Atmosphäre durch eine Durchführung verlängert an der Seite gegenüber der Seite, an der der Balg 24 an der Vakuumkammer 14 angeordnet ist. Des Weiteren ist die Durchführung verlängert, von der das Thermoelement 18 nach außen verlängert ist, an einer Thermoelement Hoch- und Runterbaugruppe 25 so befestigt, dass das Thermoelement nach oben und unten bewegbar ist bezüglich der Unterdruck- bzw. Vakuumkammer.
Wo das Kristallwachstum begonnen hat, wird die Temperaturänderung ΔT erfasst, die latenter Wärme zuschreibbar ist, und die Ergebnisse der Messung werden zu der Steuereinheit 6 gesendet, worauf die Höhe der Fest-Flüssig-Grenzfläche gemäß Gleichung (7) gefunden wird. Die Steuereinheit 6 gibt Anweisungen zu der Thermoelement-Hoch- und Runterbaugruppe 25, um nach oben und unten zu bewegen, so dass die Spitze des Thermoelements 18, die der Temperaturmesspunkt des Thermoelements 18 ist, zu der Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche kommen kann. Wenn die Temperatur in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche, die auf diese Weise gemessen wird, niedriger ist als der Schmelzpunkt, gibt es eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Bereich der Unterkühlung aufgetreten ist, und daher wird das Absenken des Tiegels 3 gestoppt bis das Kristallwachstum fortschreitet und die Fest-Flüssig-Grenzfläche zu der Position der Temperatur kommt, die dem Schmelzpunkt entspricht. Des Weiteren kann die Temperatur eines Heizelements (z.B. das Heizelement 1e) abgesenkt werden und eine Temperaturabstufung in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche kann sehr stark gemacht werden, um das Kristallwachstum zu veranlassen fortzuschreiten, so dass die Fest-Flüssig-Grenzfläche bei der Position der Schmelzpunkttemperatur vorhanden sein kann, um die Region der Unterkühlung klein zu machen.
Alternativ kann die Eingabe zu den Heizelementen, die oberhalb und unterhalb der Fest-Flüssig-Grenzfläche positioniert sind (z.B. die Heizelemente 1d und 1e) so gesteuert werden, dass die Temperaturabstufung in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche zu einem geeigneten Wert kommen kann, um die Region der Unterkühlung klein zu machen. In diesem Fall können eine Vielzahl von Thermoelementen in der in der Zeichnungen gesehenen Vertikalrichtung angeordnet sein. Dies ermöglicht eine gleichzeitige Messung von sowohl der Temperatur bei der Fest-Flüssig-Grenzfläche als auch der Temperaturabstufung, was eine höhere Wirksamkeit verspricht.
In der vorliegenden Erfindung ist das Thermoelement 18, das nach oben und unten bewegt werden kann, zwischen dem Tiegel 3 und dem Heizelement 1 vorgesehen, um die Temperatur zu messen, die bei der Fest-Flüssig-Grenzfläche gehalten wird. Alternativ können eine Vielzahl von Thermoelementen (nicht dargestellt) an der Seitenwand des Tiegels 3 befestigt sein. In dem Fall, wo die Fest-Flüssig-Grenzfläche und die Spitze des Thermoelements mehr oder weniger nicht in der Lage übereinstimmen, ist es wünschenswert, eine Interpolation von einer Vielzahl von gemessenen Werten zu machen, um die Temperatur zu finden, die bei der Fest-Flüssig-Grenzfläche gehalten wird.
In der vorangegangenen Beschreibung sind einige Beispiele des Geräts gegeben. In allen den Ausführungsformen ist jedoch, solange die gewünschte Temperaturverteilung erreicht werden kann, die Struktur des Heizelements durch nichts auf diejenigen beschränkt, die in den Zeichnungen gezeigt sind. Zum Beispiel ist in Ausführungsform 5 ein Beispiel eines Heizelements gezeigt, das in eine Vielzahl von unabhängigen Heizelementen unterteilt ist, aber das Heizelement kann ein Heizelement sein, das in eine obere und eine untere Abteilung (Abschnitt) unterteilt ist. Alternativ kann auf das Unterteilheizelement verzichtet werden und die gewünschte Temperaturverteilung kann durch eine reflektierende Platte gemacht werden. Des Weiteren kann die reflektierende Platte mit einem Kühlzylinder ausgetauscht sein, in dem Kühlwasser fließt.
In gleicher Weise ist die vorliegende Erfindung auf alle Typen von Tiegeln anwendbar, wie den Scheibentiegel, der in 19A gezeigt ist, einen Tiegel, dessen Unterseite eine Struktur einer Säule hat, ein Tiegel, der eine konisch säulenförmige Struktur hat, wie in 16 gezeigt ist und ein Tiegel, der unterschiedliche Durchmesser bei seinem zylindrischen Körper hat.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann gemäß den Ausführungsformen 1 bis 5 der vorliegenden Erfindung der Kristall produziert werden, während die Kristallwachstumsrate gemessen wird. Daher kann ein Gerät für ein Produzieren eines Kristallartikels und ein Verfahren für ein Produzieren eines Kristallartikels vorgesehen werden, die den Kristallwachstumsofen so steuern können, dass die Tiegelabsenkrate in Übereinstimmung mit der Kristallwachstumsrate ist. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann insbesondere der Kristallwachstumsofen so gesteuert werden, um die Region der Unterkühlung klein zu machen, und daher kann verhindert werden, dass Streukristalle auftreten, was es möglich macht einen großflächigen Kristall mit guter Qualität stabil herzustellen. Des Weiteren können aus diesem Grund Temperaturänderungen erfasst werden von einer Wachstumsmaterialtemperatur, die durch das Thermoelement, das Strahlungsthermometer oder eine Peltier-Vorrichtung erfasst wird, und die Erzeugung von latenter Wärme kann von den Temperaturänderungen erfasst werden.
(Ausführungsform 6)
Ein Gerät für ein Produzieren eines Kristallartikels gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist in 21 gezeigt. Dieses Gerät hat im Grunde den selben Aufbau wie das Gerät, das in 16 gezeigt ist. Die selben Komponenten wie diejenigen in 16 sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Das vorliegende Gerät ist verschieden von dem Gerät, dass in 16 gezeigt ist, darin, dass ein ringförmiges zylindrisches Element 20 (Zylinder 20 für Temperaturmessung) vorgesehen ist entlang dem Umfang von dem Heizelement 1a und von diesem entfernt, und darin dass die Temperaturerfassungselemente 18 wie Thermoelemente zusätzlich an dem zylindrischen Element 20 an sowohl der innersten Seite als auch an der äußersten Seite von diesem bezüglich der Seitenwand des Heizelements 1a angeordnet sind.
Die Wärme, die bei dem Heizelement 1a erzeugt wird, wärmt den Zylinder 20 für Temperaturmessung auf, und dann entweicht die Hitze zu der Atmosphäre von der Außenseite des Zylinders 20 durch das Isoliermaterial 15 und die Unterdruck- bzw. Vakuumkammer 14. Demzufolge kann die Wärmestromrate gemessen werden durch die Thermoelemente 18, die an der innersten Seite und der äußersten Seite des Zylinders 20 für Temperaturmessung angeordnet sind.
Elektrische Energie wird zu den Heizelementen 1a und 1b zugeführt und der Tiegel 3 wird erwärmt, wobei er so gehalten wird wie er ist, bis das Wachstumsmaterial wie CaF₂, das in ihm gehalten wird, in ausreichender Weise geschmolzen ist. Es braucht einige Stunden bis einige Tage nachdem die Energie bzw. Leistung der Heizelemente konstant gemacht worden ist, bis das Wachstumsmaterial in ausreichender Weise schmilzt und stabil wird. Während diesem Schmelzen, wird die Temperatur des Tiegels 3 bei seiner Unterseite mit dem Thermoelement 18 gemessen, das an der Unterseite des Tiegels 3 angeordnet ist. Die Daten der gemessenen Temperatur werden durch ein Messinstrument 26 zu der Steuereinheit 6 gesendet, wo die Temperatur des Tiegels 3 aufgezeichnet wird. Ob das Wachstumsmaterial in ausreichender Weise geschmolzen ist und stabil geworden ist oder nicht kann von der Grundlage beurteilt werden ob die Temperatur des Tiegels 3 konstant geworden ist oder nicht.
Wenn die Temperatur des Tiegels 3 bei seinem Zentrum nicht am niedrigsten ist, d.h. wenn die isotherme Kurve in dem Tiegel nicht nach oben konvex ist, gibt die Steuereinheit 6 Anweisungen zu der Energiequelle 2a des Heizelements 1a, um seine elektrische Energie zu erhöhen und gibt gleichzeitig Anweisungen an das Strömungsratenregelventil 12, um die Kühlkapazität des tiegelabstützenden Stabs 7 zu erhöhen.
Um das Wachstumsmaterial zu veranlassen sich zu verfestigen, während die Temperaturverteilung gehalten wird, die eine nach oben konvexe isotherme Kurve hat, gibt die Steuereinheit 6 Instruktionen zu dem Hoch- und Runtermechanismus 13, um den Tiegel 3 abzusenken. Hier kann der Tiegel bei einer Rate von 0,1 mm/Std. bis 10 mm/Std. abgesenkt werden. Da jedoch der Tiegel schneller bei dem Zentrum kalt wird als bei seinen Außenbereichen verhindert eine zu hohe Tiegelabsenkrate, dass das Wachstumsmaterial bei dem Zentrum mit dem Absenken der Temperatur mithält, was es unmöglich macht, die isotherme Kurve in dem Tiegel 3 nach oben konvex zu halten. In solch einem Fall wird die Tiegelabsenkrate klein gemacht.
Wo das Kristallwachstum begonnen hat, tritt eine Temperaturänderungen der Wärmestromrate auf, wie durch die Zeit t1 in 8 gezeigt ist. Dort gibt es eine Möglichkeit, dass die Unterkühlung aufgetreten ist, wenn das Kristallwachstum nicht beginnt, obwohl die Temperatur den Schmelzpunkt erreicht hat. Demzufolge muss die Tiegelabsenkrate klein gemacht werden, um die Region der Unterkühlung klein zu machen. Des Weiteren kann die Strömungsrate des Kühlwassers im Inneren des tiegelabstützenden Stabs 7 so gesteuert werden, um sich zu erhöhen, um einen Beginn des Kristallwachstums zu veranlassen. Der vorstehende Vorgang kann gemacht werden, nachdem das Kristallwachstum stattgefunden hat, und die isotherme Kurve nicht mehr nach oben konvex gehalten werden kann aufgrund von latenter Wärme usw. Somit kann die isotherme Kurve immer nach oben konvex gehalten werden.
Nachdem das Kristallwachstum in einen Zustand der Zeit t2 gekommen ist, der in 8 gezeigt ist, wird als nächstes die Kristallwachstumsrate konstant gehalten. In Übereinstimmung mit der Information, die durch das Messinstrument 26 zu der Steuereinheit 6 gesendet wird, über die Temperatur, die mit den zwei Thermoelementen 1 gemessen wird 8, die an der innersten Seite und der äußersten Seite des Zylinders 20 für Temperaturmessung angeordnet sind, wird die Kristallwachstumsrate (dh/dt) bestimmt. Wenn die Kristallwachstumsrate niedriger geworden ist als die Tiegelabsenkrate, gibt die Steuereinheit 6 Anweisungen zu dem Hoch- und Runtermechanismus 13, um die Tiegelabsenkrate so zu verringern, dass die Tiegelabsenkrate in Übereinstimmung mit der Kristallwachstumsrate kommt.
Nachdem das Kristallwachstum in einen Zustand der Zeit t4 gekommen ist, wird auf diese Weise das Kristallwachstum beendet. Hier hat sich die Kristallwachstumsrate (dh/dt) bei der Zeit t3 geändert, aber dies ist ein Endpunkt des Kristalls und daher ist die Steuerung so gemacht, dass die Tiegelabsenkrate nicht niedrig wird bei der Zeit t3. Die Zeit, bei der die Kristallwachstumsrate gering geworden ist, wird beurteilt als der Endpunkt des Kristalls, solange die Distanz, bei der sich der Tiegel von der Position von der Zeit t1 abgesenkt hat, gleich ist zu der Länge des Tiegels in der Vertikalrichtung.
Das Thermoelement kann auch optional an der Seitenwand des Tiegels 3 oder an der Unterseite des Tiegels 3 vorgesehen sein, um die Temperaturverteilung hoch präzise dort zu halten, wo die isotherme Kurve leicht nach oben konvex ist.
(Ausführungsform 7)
22 zeigt ein Gerät, in dem eine Wärmestromrate gemessen wird, bei der die Wärme des Tiegels 3 nach außen durch den tiegelabstützenden Stab des Tiegels entweicht. Der tiegelabstützende Stab 7 ist gemacht, um eine hohe Temperaturabstufung bei seinem oberen Teil und eine niedrige Temperaturabstufung bei seinem unteren Teil zu haben. Demzufolge sind die Thermoelemente 18 weit voneinander weg in ihrer Vertikalrichtung in dem tiegelabstützenden Stab 7 vorgesehen.
In diesem Gerät wird auch die Wärmestromrate erfasst, die latenter Wärme zuschreibbar ist, und der Kristallwachstumsofen wird in Übereinstimmung mit der erfassten Information gesteuert.
Genauer gesagt kann, wo die Wärmestromrate, die latenter Wärme zuschreibbar ist, erfasst worden ist, die Tiegelabsenkrate so gesteuert werden, dass sie niedrig wird zu der Zeit t1, oder der Tiegel kann lokal bei seiner Unterseitenmitte gekühlt werden, oder der Tiegel kann vibriert werden.
(Ausführungsform 8)
23 zeigt ein Gerät für ein Produzieren eines Kristallartikels gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Dieses Gerät hat grundsätzlich die selbe Struktur wie diejenigen in den Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben sind. Gemeinsame Bestandteile sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
Dieses Gerät ist durch das Folgende gekennzeichnet.
In diesem Gerät sind ein ringförmiger oberer und unterer Zylinder 20a und 20b für Temperaturmessung um den tiegelabstützenden Stab 7 herum so vorgesehen, dass der Temperaturunterschied zwischen den Zylindern gemessen werden kann. Die Zylinder 20a und 20b für Temperaturmessung sind durch einen Metalldraht 27b verbunden, und Metalldrähte 27a sind mit beiden von den Zylindern 20a und 20b für Temperaturmessung verbunden und ihre gegenüberliegenden Enden sind mit einem Voltmeter 28 verbunden. Wie es gut bekannt ist, sind die Metalldrähte 27a und 27b aus verschiedenen Materialien gemacht und eine thermische elektromotorische Kraft wird bei den beiden Enden der Metalldrähte 27a produziert, wenn die Zylinder 20a und 20b für Temperaturmessung verschiedene Temperaturen haben. Diese thermische elektromotorische Kraft entspricht der Temperaturdifferenz zwischen den Zylindern 20a und 20b für die Temperaturmessung, und daher kann die thermische elektromotorische Kraft mit dem Voltmeter 28 gemessen werden, um die Temperaturdifferenz sofort zu finden und um die Wärmestromrate zu finden.
Somit arbeitet dieses Gerät wie nachstehend beschrieben ist.
Wo die Wärmestromrate, die latenter Wärme zuschreibbar ist, in dem Verlauf des Absenkens des Tiegels 3 bei einer konstanten Rate erfasst worden ist, wird die Kristallwachstumsrate von der Information der Wärmestromrate gefunden, und die Tiegelabsenkrate wird einmal so verringert, dass die Kristallwachstumsrate in Übereinstimmung mit der Tiegelabsenkrate kommt. Anschließend wird der Tiegel abgesenkt, so dass seine Absenkrate gleich wird zu der Kristallwachstumsrate, die erhalten wurde.
In Ausführungsformen 6 bis 8, die vorstehend beschrieben sind, wird das Thermoelement als ein Temperaturerfassungselement verwendet. Ohne Beschränkung auf dieses können auch ein Strahlungsthermometer oder ein Widerstandsthermometer verwendet werden.
In dieser Weise kann die Erzeugung von latenter Wärme durch eine Erfassungseinrichtung erfasst werden, die das Temperaturerfassungselement 18, seine Metalldrähte 27a und 27b, das Messinstrument 26, das Voltmeter 28 und auch die Steuereinheit hat.
In all den Ausführungsformen ist, solange die gewünschte Temperaturverteilung erreicht werden kann, die Struktur des Heizelements durch nichts beschränkt. Zum Beispiel ist in dem Vorangegangenen ein Beispiel eines Heizelements gezeigt, das in eine Vielzahl von unabhängigen Heizelementen unterteilt ist, aber das Unterteilheizelement kann mit einer reflektierenden Platte ersetzt werden, um die gewünschte Temperaturverteilung herzustellen. Des Weiteren kann die reflektierende Platte mit einem Kühlzylinder ausgetauscht sein, in dem Kühlwasser strömt.
In gleicher Weise ist die vorliegende Erfindung auf alle Typen von Tiegeln anwendbar wie den Scheibentiegel, einen Tiegel dessen Unterseite eine Struktur eine Säule hat, einen Tiegel, der eine konisch säulenförmige Struktur hat, und einen Tiegel, der unterschiedliche Durchmesser bei seinem zylindrischen Körper hat.
(Ausführungsform 9)
24A ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Kristallwachstumsgeräts. Es zeigt ein Beispiel, in dem die vorliegende Erfindung auf ein Gerät angewendet ist, dass einen Ofen hat, dessen Inneres in eine erste Hochtemperaturregion (Hochtemperaturregion) und eine zweite Niedrigtemperaturregion (Niedrigtemperaturregion) unterteilt ist, die jeweils temperaturgesteuert werden durch ein Heizelement, das unabhängig vorgesehen ist.
In 24A bezeichnen Bezugszeichen 1a und 1b ein erstes Heizelement bzw. ein zweites Heizelement; 2a und 2b Energiequellen für das erste Heizelement bzw. das zweite Heizelement; 3 einen Tiegel; 4 ein Wachstumsmaterial, das in den Tiegel gegeben wird; 5 eine Scheibe (in einer Vielzahl); 6 eine Steuereinheit; 7 einen tiegelabstützenden Stab; 8 ein Wärmeisoliermaterial, das unterhalb des Tiegels vorgesehen ist; 9 eine Rohrleitung für ein Kühlmittel; 10 ein Fließweg für das Kühlmittel; 11 einen Kühlmitteleinlass; 12 ein Strömungsratenregelventil; 13 einen Hoch- und Runtermechanismus für ein Absenken des Tiegels über den tiegelabstützenden Stab 7; 18 ein Thermoelement (in einer Vielzahl vorgesehen); 31 einen ummantelten Abschnitt des Thermoelements; 32 einen verbindenden Teil des Thermoelements; 33 Zuleitungsdrähte des Thermoelements; 29 ein Temperaturmessinstrument, das mit dem Thermoelement verbunden ist; 34 ein Thermoelementgehäuse; 35 eine Durchführung, von der die Zuleitungsdrähte von jedem Thermoelement nach außen verlängert sind; 14 eine Unterdruck- bzw. Vakuumkammer; 15 ein Wärmeisoliermaterial; 16 eine Auslasskammer; 17 eine Auslassentlüftung; und 30 eine Basisplatte.
Das Innere der Unterdruck- bzw. Vakuumkammer 14, die aus einem Metall wie rostfreiem Stahl gemacht ist, ist evakuiert von der Auslassentlüftung 17 durch die Auslasskammer 16, und der Druck in der Unterdruck- bzw. Vakuumkammer ist bei 1,33 × 10^–3 Pa bis 1,33 × 10^–4 Pa gehalten. Das Wärmeisoliermaterial 15 ist an der Innenwand der Vakuumkammer 14 befestigt und hat eine Struktur, die nicht erlaubt, dass die Wärme entweicht, die durch die Heizelemente 1a und 1b erzeugt wird. Die Heizelemente 1a und 1b sind aus einem Kohlenstoffmaterial oder dergleichen ausgebildet und werden jeweils durch die Energiequellen 2a und 2b elektrisch betrieben, um Wärme zu erzeugen. Dann wird die Wärme, die auf diese Weise erzeugt wird, durch Strahlung zu dem Tiegel 3 zugeführt, der innerhalb der Heizelemente 1a und 1b angeordnet ist. Der Tiegel 3 ist aus einer Substanz wie Kohlenstoff gemacht, die nicht mit dem Wachstumsmaterial 4 eines Kristalls reagiert. Das Wachstumsmaterial 4 eines Kristalls, wie Calciumfluorid, wird in dem Tiegel 3 gehalten. Des Weiteren ist ein tiegelabstützender Stab 7 für ein Abstützen des Tiegels unterhalb des Tiegels angeordnet. Der tiegelabstützende Stab 7 ist an dem Hoch- und Runtermechanismus angeordnet, und der Hoch- und Runtermechanismus wird in Übereinstimmung mit Anweisungen angetrieben, die von der Steuereinheit 6 ausgegeben werden, wobei auf diese Weise der Tiegel 3 nach oben und nach unten bewegt wird.
Als ein Temperatursteuermechanismus, der verschieden ist von den Heizelementen 1a und 1b, ist der Kühlmittelfließweg 10 im Inneren des tiegelabstützenden Stabs 7 vorgesehen. Das Kühlmittel, das von dem Kühlmitteleinlass 11 hereinströmt, strömt in den Fließweg 10 durch das Regelventil 12, nimmt die Wärme weg von dem tiegelabstützenden Stab 7, während es durch das Innere des tiegelabstützenden Stabs 7 hindurchgeht, und wird von einem Auslass ausgelassen. Die Kühlkapazität, die dem Kühlmittel zuschreibbar ist, hängt im Allgemeinen von der Temperatur und der Strömungsrate des Kühlmittels ab. In dem vorliegenden Beispiel wird die Kühlkapazität durch die Strömungsrate durch Steuern des Strömungsratenregelventils 12 mit der Steuereinheit 6 bestimmt. Wenn die Temperatur des Tiegels bei seinem Zentrum zu hoch ist, wird demzufolge die Kühlkapazität erhöht durch Öffnen des Strömungsratenregelventils 12, wodurch die Temperatur des Tiegels bei seinem Zentrum verringert werden kann.
Jedes Thermoelement 18 besteht aus dem ummantelten Abschnitt 31, dem Anschlussdraht 33 und dem verbindenden Teil 32, bei dem der ummantelte Abschnitt 31 und der Anschlussdraht 33 verbunden sind. Der ummantelte Abschnitt 31 dient als ein Temperatursensor bei seinem Ende und ist in geeigneter Weise an einer Stelle angeordnet, wo die Temperatur gemessen werden muss. Insbesondere sind in dem vorliegenden Beispiel, um die Temperaturverteilung in der gleichen Ebene in dem Tiegel 3 zu messen, eine Vielzahl von Thermoelementen an der Unterseite des Tiegels 3 bei seiner Radiusrichtung angeordnet, wie in 24B gezeigt ist. Des Weiteren ist, nicht nur bei der Unterseite des Tiegels 3, ein Loch in der Scheibe 5 gemacht, und eine Vielzahl von Thermoelementen sind so daran angeordnet, dass die Temperaturverteilung gemessen werden kann. Wenigstens drei Thermoelemente sind an der Scheibe 5 in ihrer Ebene angeordnet, die die Kristallwachstumsrichtung schneidet. Ein Thermoelement kann auch optional an der Seitenwand des Tiegels angeordnet sein.
Die Rohrleitung 9 für ein Kühlmittel ist ferner an der Basisplatte 30 so angeordnet, dass die Basisplatte 30 bei einer gewünschten konstanten Temperatur gehalten werden kann auch in einem Zustand, wo elektrische Energie auf die Heizelemente aufgebracht wird. Die Länge des ummantelten Abschnitts 31 ist so bestimmt, dass der ummantelte Abschnitt unterhalb der Basisplatte 30 und im Inneren des Thermoelementgehäuses 34 positioniert ist. Das Thermoelementgehäuse 34 ist an der Basisplatte 30 angeordnet, die bei einer konstanten Temperatur gehalten wird, und hat gleichzeitig einen Aufbau, bei dem die Rohrleitung 9 für ein Kühlmittel an der Außenwand so angeordnet ist, um die Temperatur von einem Ansteigen abzuhalten. Daher können die Zuleitungsdrähte 33, die eine geringere Korrosionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit haben als der ummantelte Abschnitt, davon abgehalten werden, korrosiven Gasen oder starker Hitze ausgesetzt zu werden, und können daher den Messungen widerstehen. Hier ist das Thermoelementgehäuse 34 in solch einer Größe festgelegt, dass jeder verbindende Teil 32 nicht gegen die Durchführung 35 schlägt, wenn der Tiegel 3 vollständig abgesenkt ist.
Jedes Thermoelement 18 ist nach außen von der Unterdruck- bzw. Vakuumkammer 14 bei seinem ummantelten Abschnitt 31 jeweils einmal in das Thermoelementgehäuse 34 hinein verlängert, und seine Zuleitungsdrähte 33 sind nach außen von dem Thermoelement 34 durch die Durchführung 35 hindurch weiter verlängert. Die Durchführung 35, die in 24A gezeigt ist, besteht, wie in 15 gezeigt ist, aus wenigstem einen Durchführungszylinder 42, durch den Zuleitungsdrähte 33 hindurchgeführt werden, einem Durchführungsrahmen 43, und O-Ringen 44, die an dem Durchführungszylinder 42 und dem Durchführungsrahmen 43 eingepasst sind. Der Durchführungszylinder 42 ist aus einem Isoliermaterial gemacht, und zwei Löcher, durch die die Zuleitungsdrähte 33 hindurchgeführt werden, sind in ihm in seiner Axialrichtung gemacht. Diese Löcher sind fest mit einem Isolierklebemittel verschlossen, nachdem die Zuleitungsdrähte durch sie hindurch geführt worden sind, um eine vakuumabgedichtete Struktur vorzusehen. Daher kann das Innere der Unterdruck- bzw. Vakuumkammer 14 inklusive dem Thermoelementgehäuse bei einem Unterdruck bzw. Vakuum gehalten werden und auch ein Temperaturunterschied, der zwischen der Innenseite und der Außenseite der Unterdruck- bzw. Vakuumkammer 14 und dem Thermoelementgehäuse 34 produziert wird, bewirkt keine Fehler in einer Temperaturmessung. Des Weiteren sind die Zuleitungsdrähte 33, die zur Außenseite von dem Thermoelementgehäuse 34 durch die Durchführung 35 hindurch verlängert sind, mit dem Temperaturmessinstrument 29 verbunden, und die Information, die erhalten wird, wird zu der Steuereinheit 6 gesendet.
Wasser kann als das Kühlmittel verwendet werden, um in dem Fließweg im Inneren des tiegelabstützenden Stabs 7 zu fließen. Da jedoch Wasser einen Siedepunkt von 100°C hat, kann ein Kühlöl oder dergleichen verwendet werden, wenn es beabsichtigt ist, Temperaturen zu steuern, die höher sind als 100°C.
Wie das Gerät arbeitet, das so aufgebaut ist wie vorstehend beschrieben ist, wird nachstehend beschrieben.
Zuerst wird elektrische Energie zu den Heizelementen 1a und 1b zugeführt und der Tiegel 3 wird erwärmt, wobei er so gehalten wird wie er ist, bis das Wachstumsmaterial, das in ihm gehalten wird, in ausreichender Weise geschmolzen ist. In dem Fall, wo das Wachstumsmaterial 4 z.B. CaF₂ ist, braucht es einige Stunden bis einige Tage nachdem die Energie der Heizelemente 1a und 1b konstant gemacht worden ist, bis das Wachstumsmaterial ausreichend geschmolzen ist und stabil wird. Während diesem Schmelzen wird die Temperatur des Tiegels 3 bei seiner Unterseite mit dem Thermoelement 18 gemessen, das an der Unterseite des Tiegels 3 angeordnet ist. Die gemessenen Temperaturdaten werden durch das Messinstrument 29 zu der Steuereinheit 6 gesendet, wo die Temperatur des Tiegels 3 aufgezeichnet wird. Mit Bezug darauf, ob das Wachstumsmaterial in ausreichender Weise geschmolzen ist und stabil geworden ist oder nicht, wird das geschmolzene Wachstumsmaterial für stabil geworden erachtet, wenn die Temperatur des Tiegels 3 konstant gehalten wird.
Wenn die Temperatur des Tiegels 3 bei seinem Zentrum nicht am niedrigsten ist, d.h. wenn die isotherme Kurve in dem Tiegel nicht nach oben konvex ist, gibt die Steuereinheit 6 Anweisungen zu der Energiequelle 2a des Heizelements, um die elektrische Energie zu erhöhen, und gibt gleichzeitig Anweisungen zu dem Strömungsratenregelventil 12, um die Kühlkapazität des tiegelabstützenden Stabs 7 zu erhöhen.
Um das Wachstumsmaterial zu veranlassen sich zu verfestigen, während die Temperaturverteilung aufrecht erhalten wird, die eine nach oben konvexe, isotherme Kurve hat, gibt die Steuereinheit 6 Anweisungen zu dem Hoch- und Runtermechanismus 13, um den Tiegel 3 abzusenken, in der Zeit, in der die Temperatur des Tiegels 3 bei seiner Unterseite oder die Temperatur in gleicher Ebene der Scheibe 5 immer gemessen wird. Hier kann der Tiegel bei einer Rate von 0,1 mm/Std. bis 10 mm/Std. abgesenkt werden. Da jedoch der Tiegel schneller bei dem Zentrum als bei seinen Außenbereichen kalt wird, verhindert eine zu hohe Tiegelabsenkrate, dass das Wachstumsmaterial bei dem Zentrum mit der Absenkung der Temperatur mithalten kann, was es unmöglich macht, die isotherme Kurve in dem Tiegel 3 nach oben konvex zu halten. In solch einem Fall wird die Tiegelabsenkrate gering gemacht.
Wenn der Tiegel 3 abgesenkt wird werden die Zuleitungsdrähte 33, die eine Flexibilität bzw. Nachgiebigkeit haben, gebogen, wie in 25 gezeigt ist, so dass die Zuleitungsdrähte 33 locker bzw. beweglich werden, um die Distanz zu absorbieren, um die sich der Tiegel 3 abgesenkt hat. Daher wird eine unnötige Kraft durch keine Einrichtung auf den ummantelten Abschnitt 31 des Thermoelements 18 aufgebracht, wodurch das Thermoelement 18 nicht bricht oder wodurch das Thermoelement 18 den Tiegel 3 nicht daran hindert abgesenkt zu werden.
Wo das Kristallwachstum begonnen hat, tritt eine Temperaturänderung der Temperatur des Tiegels 3 auf, wie durch die Zeit t1 in 5A gezeigt ist. Es gibt eine Möglichkeit, dass die Unterkühlung aufgetreten ist, wenn das Kristallwachstum nicht beginnt, obwohl die Temperatur den Schmelzpunkt erreicht hat. Demzufolge muss die Tiegelabsenkrate gering gemacht werden, um die Region der Unterkühlung klein zu machen. Hier kann der zuvor beschriebene Vorgang gemacht werden, nachdem die isotherme Kurve nicht mehr nach oben konvex gehalten werden kann aufgrund von latenter Wärme usw. Somit kann die isotherme Kurve immer nach oben konvex gehalten werden.
Nachdem das Kristallwachstum in einen Zustand der Zeit t2 gekommen ist, der in 5A gezeigt ist, hat als nächstes das Kristallwachstum an der gesamten Unterseite des Tiegels 3 stattgefunden. Demzufolge werden die Strömungsrate des Kühlwassers und die Tiegelabsenkrate so gesteuert, dass sie die isotherme Kurve abflachen. Sogar in solch einem Fall wird auch die Temperatur um den Tiegel 3 herum ein wenig niedrig gehalten, um zu verhindern, dass das Kristallwachstum zu dem Zentrum des Tiegels 3 hin fortschreitet.
In dieser Weise wird, nachdem das Kristallwachstum in einen Zustand der Zeit t4 gekommen ist, das Kristallwachstum an der ersten Scheibe beenden.
Der Tiegel 3 wird weiter abgesenkt, worauf das Kristallwachstum an der zweiten Scheibe beginnt. Demzufolge wird die Temperaturverteilung, die eine nach oben konvexe, isotherme Kurve hat, aufrecht erhalten, bis das Kristallwachstum an der gesamten Unterseite des Tiegels beginnt. Anschließend wird z.B. die Prozedur an der ersten Scheibe wiederholt, um die Temperaturverteilung flach zu machen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Beispiel beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung auf den Tiegel angewendet ist, der der Scheibentiegel genannt wird. Es ist überflüssig zu sagen, dass die vorliegende Erfindung auch auf einen Tiegel angewendet werden kann, der keine Scheiben hat, oder einen Tiegel, der eine chronische Unterseitenform hat.
(Ausführungsform 10)
26 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Geräts gemäß Ausführungsform 10 der vorliegenden Erfindung. Dieses Gerät hat einen Aufbau, der sich von Ausführungsform 9 dadurch unterscheidet, dass die Auslasskammer 16 auch als das Thermoelementgehäuse dient.
In dem Gerät, dass in 26 gezeigt ist, ist die Durchführung 35 für ein Verlängern des Thermoelements nach außen, an dem unteren Teil der Auslasskammer 16 angeordnet. Jedes Thermoelement 18 ist nach außen von der Unterdruck- bzw. Vakuumkammer 14 bei seinem ummantelten Abschnitt 31 in die Auslasskammer 16 verlängert, und seine Zuleitungsdrähte 33 sind nach außen durch die Durchführung 35 von der Auslasskammer 16 weiter verlängert, die auch als das Thermoelementgehäuse dient. Des Weiteren ist eine Kühlrohrleitung 9 an dem Umfang der Auslasskammer 16 so vorgesehen, dass ihre Temperatur nicht ansteigt. Somit steigt die Temperatur des verbindenden Teils 32 und der Zuleitungsdrähte 33 nicht an, und wenn der Tiegel 3 abgesenkt wird werden die Zuleitungsdrähte 33 locker bzw. beweglich, um die Distanz zu absorbieren, um der sich die Tiegel abgesenkt hat.
Obwohl die Auslasskammer 16 bei einer niedrigen Temperatur gehalten wird, können jedoch der verbindende Teil 32 und die Zuleitungsdrähte 33 des Thermoelements, eine Temperatur haben, die höher ist als eine Toleranztemperatur, durch die Wirkung der Strahlung von dem Isoliermaterial 8, das unterhalb des Tiegels 3 in dem unteren Teil des Heizelements 1b vorgesehen ist. Demzufolge ist eine Abschirmplatte 36 an dem tiegelabstützenden Stab 7 bei einer Position angeordnet, die höher ist als der verbindende Teil 32. Da solch eine Abschirmplatte 36 vorgesehen ist, kommen der verbindende Teil und die Zuleitungsdrähte 33 durch keine Einrichtung dazu, die Temperatur zu haben, die höher ist als die Toleranztemperatur. Kühlwasser kann durch das Innere der Abschirmplatte 36 zirkulieren.
In 26 ist ein Gerät gezeigt, in dem die Abschirmplatte 36 an dem tiegelabstützenden Stab 7 angeordnet ist. Alternativ kann die Abschirmplatte 36 an dem ummantelten Abschnitt 31 angeordnet sein, der gerade über dem verbindenden Teil 32 des Thermoelements gelegen ist. Solch eine Abschirmplatte 36 kann eine solche sein, die ein geringes Emissionsvermögen haben, wobei sie hoch effektiv ist. Eine Metallplatte oder -folie, die aus Aluminium oder rostfreiem Stahl gemacht ist, ist bevorzugt.
Das Innere der Auslasskammer 16 wird auch ziemlich verschmutzt mit Kohlenstoffstaub oder dergleichen während dem Kristallwachstum. Daher gibt es eine Möglichkeit, dass Kohlenstofffilme an dem O-Ring 44 anhaften, der den Durchführungszylinder 42 vakuumabdichtet, um dazu zu führen, dass das Vakuum zusammenbricht oder dass ein Kurzschluss der Zuleitungsdrähte an der Durchführungsoberfläche auftritt. In der vorliegenden Ausführungsform ist, um dies zu verhindern, die Durchführung 35 so angeordnet, dass ihre Oberfläche an der Seite der Auslasskammer 16 (d.h. an der Seite der Unterdruck- bzw. Vakuumkammer 14), an deren Fläche der Durchführungszylinder 42 mit einer flachen Oberweite angeordnet ist, in der Schwerkraftrichtung ist (d.h. der der Vertikalrichtung) oder zu der Horizontalrichtung hin von der Vertikalrichtung geneigt ist.
(Ausführungsform 11)
27 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Geräts gemäß Ausführungsform 11 der vorliegenden Erfindung. Dieses Gerät hat einen Aufbau, der von Ausführungsform 9 dadurch verschieden ist, dass das Thermoelement 18 durch das Innere des tiegelabstützenden Stabs 7 hindurchgeführt ist.
In dem Gerät, dass in 27 gezeigt ist, ist die Durchführung 35 für ein Verlängern des Thermoelements nach außen an dem unteren Teil der Auslasskammer 16 angeordnet und die Zuleitungsdrähte 33 sind verlängert nach außen von der Unterdruck- bzw. Vakuumregion. Des Weiteren ist die Länge des Thermoelements 18 so eingestellt, dass der ummantelte Abschnitt 31 und die Zuleitungsdrähte 33 bei der Position eines Niedrigtemperaturabschnitts des tiegelabstützenden Stabs 7 stehen können. Solch ein Aufbau ist besonders effektiv, wenn der Tiegel 3 gedreht wird.
(Ausführungsform 12)
28 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Geräts gemäß Ausführung 12 der vorliegenden Erfindung. Dieses Gerät hat eine Konstruktion, die dadurch verschieden ist von Ausführungsform 9, dass eine Durchführung für ein Verlängern des Thermoelements 18, das an dem Tiegel 3 angeordnet ist, nach außen von der Vakuumkammer 14 bewegbar ist mit der Bewegung des Tiegels 3.
In dem Gerät, das in 28 gezeigt ist, ist die Durchführung 7 mittels eines Balgs 38 vorgesehen, der sich zwischen der Basisplatte 30 und der Durchführung 37 erstreckt, und des Weiteren ist die Durchführung 37 an dem tiegelabstützenden Stab 7 befestigt. Wo der Tiegel 3 mit solch einer Konstruktion abgesenkt wird, wie in 29 gezeigt ist, verlängert sich der Balg 38, so dass das Thermoelement nicht locker wird, entsprechend zu dem Umfang der Bewegung des Tiegels 3.
Wie in 28 und 29 gezeigt ist, ist das Thermoelement 18 an der Durchführung 37 bei seinem ummantelten Abschnitt 31 befestigt. Alternativ können, wie in 24A gezeigt ist, der ummantelte Abschnitt des Thermoelements 18, der verbindende Teil 32 und ein Teil der Zuleitungsdrähte 33 in der Unterdruck- bzw. Vakuumregion gehalten werden und nur die verbleibende Zuleitungsdrähte 33 können nach außen von der Unterdruck- bzw. Vakuumregion verlängert sein.
In allen den vorstehenden Ausführungsformen wird Calciumfluorid, Lithiumfluorid oder dergleichen als das Wachstumsmaterial verwendet und wird in der Produktion eines Fluoridkristalls verwendet.
Darüber hinaus kann die Struktur des Thermoelements, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der verbindende Teil des Thermoelements, bei dem der ummantelte Abschnitt und die Zuleitungsdrähte verbunden sind, bei 500° oder niedriger gehalten wird, oder dadurch, dass das Lockern des Thermoelements, was durch die Bewegung des Tiegels, bewirkt wird, durch die Zuleitungsdrähte absorbiert werden kann, weitläufig verwendet werden auch in anderen sich bewegenden Objekten als den Tiegel. Zum Beispiel kann es in Verfahrensgeräten verwendet werden, die korrosive Gase bei einer hohen Temperatur verwenden, wie beispielhaft bei einem Erzeugungsgerät für einen dünnen Film und ein Fremdkörperimplantationsgerät.
Die Durchführungsstruktur für das Thermoelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch im Allgemeinen anwendbar auf ein Unterdruck- bzw. Vakuumgerät und auf ein Gerät, in dem ein Messinstrument und eine Unterdruck- bzw. Vakuumkammer durch eine Wand getrennt sind.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann gemäß Ausführungsformen 9 bis 12 der Kristallwachstumsofen so gesteuert werden, dass die Temperaturverteilung in der Ebene, die senkrecht zu der Richtung von Kristallwachstum ist, in einer nach oben konvexen isothermen Kurve sein kann. Als eine Folge kann der Kristallwachstumsofen so gesteuert werden, um die Region der Unterkühlung klein zu machen, und daher kann verhindert werden, dass Streukristalle auftreten, was es möglich macht, einen großflächigen Kristall mit guter Qualität stabil zu produzieren. Des Weiteren ermöglicht das Thermoelement und das Temperaturmesssystem der vorliegenden Erfindung eine Erfassung der Temperatur mit einer hohen Präzision.
Das Verfahren für ein Produzieren eines Fluoridkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung wird beschrieben. Zuerst wird eines der Kristallwachstumsgeräte, die in 16 bis 19 gezeigt sind, für eine Verwendung fertig gemacht. Dann wird ein Fluoridwachstumsmaterial in den Tiegel 3 gegeben. Die Heizelemente 1a und 1b werden elektrisch betrieben, um das Fluoridwachstumsmaterial zu schmelzen und werden so gehalten wie sie sind, bis die Temperatur in dem Ofen sich nicht länger mit der Zeit ändert, um konstant zu werden. Als nächstes wird der Tiegel nach unten bewegt, während die Temperatur des Wachstumsmaterials überwacht wird durch ein Temperaturerfassungselement wie das Thermoelement (in der Praxis während dem Erfassen der Temperatur des Tiegels oder der Heizelemente).
Hier kann das Temperaturelement vorzugsweise das Thermoelement sein, das ein Ta-ummanteltes Rohr hat. Ein Strahlungsthermometer oder eine Peltier-Vorrichtung kann auch verwendet werden. Ferner kann das Temperaturerfassungselement in einer Vielzahl in der Ebene vorgesehen sein, die die Richtung des Kristallwachstums schneidet.
Nachdem die Temperaturänderung ΔT, die latenter Wärme zuschreibbar ist, erfasst worden ist, wird die Kristallwachstumsrate und/oder die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche gefunden, um den Kristallwachstumsofen so zu steuern, dass die Kristallwachstumsrate nicht variiert oder die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche nicht variiert. Das einfachste Verfahren ist es, die Tiegelabsenkrate einmal zu verringern. Andere Verfahren wurden vorstehend beschrieben.
Danach wird die Tiegelabsenkrate in gleicher Weise gesteuert, so dass die Kristallwachstumsrate oder die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche nicht variiert. Somit kann ein Fluoridkristall erhalten werden, der einen großen Durchmesser und eine gute Gleichförmigkeit hat.
Um zu verhindern, dass sich eine Region von Unterkühlung erhöht, und um ein gleichförmiges Kristallwachstum zu bewirken, wird die Erzeugung von latenter Wärme erfasst von Änderungen der Temperatur eines Tiegels oder eines Heizelements oder von Änderungen der Wärmestromrate und des Weiteren wird die Position einer Fest-Flüssig-Grenzfläche mathematisch gefunden, um die Tiegelabsenkrate oder die Temperaturverteilung so zu steuern, dass die Kristallwachstumsrate bei einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann.

Claims

Verfahren zum Steuern von Kristallwachstum in einem Kristallwachstumsgerät, das einen Tiegel zum Halten eines Kristallmaterials (4), ein Heizelement (1) zum Schmelzen des Kristallmaterials (4), das in dem Tiegel (3) gehalten wird, und eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen des Tiegels relativ zu dem Heizelement (1) hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Initiieren von Kristallwachstum; Erfassen einer Temperaturänderung (ΔT), die latenter Wärme (Q) zuschreibbar ist und die von der Temperatur des Tiegels (3) oder des Heizelements (1) hergeleitet wird, oder Erfassen einer Änderung der Wärmestromrate (ΔVq), die latenter Wärme (Q) zuschreibbar ist und die von einer Temperaturabstufung zwischen zwei räumlich beabstandeten Punkten hergeleitet wird, wo Wärme durch Leitung übertragen wird; Berechnen einer Kristallwachstumsrate (dh/dt) aus der erfassten Temperaturänderung (ΔT) oder der erfassten Änderung der Wärmestromrate (ΔVq); Berechnen der Position (y(t)) der Fest-Flüssig-Grenzfläche des Kristallmaterials (4) mit Bezug auf den Kristallwachstumsofen auf Basis der Temperaturänderung (ΔT) oder der Änderung der Wärmestromrate (ΔVq) und der Zeit (t1), bei der die Temperaturänderung (ΔT) oder die Änderung der Wärmestromrate (ΔVq) auftritt; Steuern der Bewegungseinrichtung, so dass die Bewegungsgeschwindigkeit des Tiegels (3) bezüglich dem Heizelement (1) in Übereinstimmung mit der Kristallwachstumsrate (dh/dt) ist; und Steuern der Temperatur des Heizelements (1), so dass die Temperatur in der Nähe der Position (y(t)) der Fest-Flüssig-Grenzfläche zu dem Schmelzpunkt kommt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Kristallwachstum durch Verringern der Bewegungsrate des Tiegels (3) initiiert wird, wenn eine sprunghafte Änderung der Temperatur oder der Wärmestromrate nicht auftritt, trotz einer vorbestimmten Lage oder Temperatur des Tiegels (3).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Kristallwachstum initiiert wird durch Verringern der Temperatur des Tiegels (3) bei seiner Bodenmitte, wenn eine sprunghafte Änderung der Temperatur oder der Wärmestromrate nicht auftritt, trotz einer vorbestimmten Lage oder Temperatur des Tiegels (3).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Kristallwachstum durch Vibrieren des Tiegels (3) initiiert wird, wenn eine sprunghafte Änderung der Temperatur oder der Wärmestromrate nicht auftritt, trotz einer vorbestimmten Lage oder Temperatur des Tiegels (3).
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kristallwachstumsofen so gesteuert wird, dass die isotherme Fläche des Kristallmaterials (4) an der Seite einer flüssigen Phase konvex gehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei der Kristallwachstumsofen so gesteuert wird, dass die Gradzahl, bei der die isotherme Fläche des Kristallmaterials (4) konvex gehalten wird, geändert wird, wenn eine sprunghafte Änderung der Temperatur des Kristallmaterials (4) auftritt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kristallmaterial (4) Fluorid ist.