JP2003035512A - 結晶成長時に相界面の位置を測定する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶成長プロセスの制御の必要条件としての
結晶成長速度を測定するために相界面の位置の測定を可
能にする、結晶成長時、相界面の位置を測定する方法及
び装置を提供する． 【解決手段】 溶融物と前記溶融物から成長する結晶と
の間の相界面の位置を測定する方法であり、この方法
は、ａ）該溶融物と該結晶との間の相界面へ入射光信号
を伝える工程と、ｂ）該相界面の該位置を測定するため
に、該入射光信号によって該相界面で形成された反射光
信号を測定する工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶成長時に相界
面あるいは相境界の位置を測定する方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】容器等での結晶成長時に上向きに成長す
る液体と固体との間の相界面の位置の測定は、実際の結
晶高さの測定を意味するが、結晶成長プロセスにとって
かなり重要である。結晶成長プロセスの制御は、相界面
位置が測定されるときにのみ可能である。ＶＧＦ法によ
る結晶成長は、真空状態で、不活性又は反応性ガス下の
密閉容器内で通常実施される。容器内の結晶成長室への
アクセスは、特に高融点材料及び／又は高蒸気圧を有す
る材料では付加的な特徴がなければ可能でない。窓が容
器内に組み込まれていると、常に種々の問題がある。さ
らに、光学窓は一般に急速にぼやけ又はコーティングさ
れ、それにより相の位置測定が不可能であるか、再現性
ある測定が不可能である。

【０００３】相界面の位置あるいは高さ測定するための
幾つか可能な方法が文献に記載されてはいる。 １．間接法：ドーピング元素を不連続的な又は飛び飛び
の所定温度で結晶内に組み入れることができる。偏析係
数あるいは分離係数の温度依存性及び／又成長速度をこ
の目的のために使用する。次に、ドーピング元素の分布
を完成結晶で試験あるいはチェックする。これらの方法
が間接的であるため、その方法はプロセス制御には使用
できない。 ２．超音波法（例えば、Ｋ．Ｗｉｌｋｅ，Ｊ．Ｂｏｈ
ｍ、「結晶成長」の、５９５頁）：結晶内での音速を、
相界面の位置の測定に使用できる。送信機と受信機を結
晶成長容器、例えばグラファイト容器の外側に取り付け
る。送信機から受信機への音波の通路に沿って全ての材
料間の界面で完全な接触が行なわれなければならない。
しかしながら、成長容器と結晶との間の通路において熱
膨張率の小さな違いのためにギャップが生じることがあ
る。しかし、これらの違いが大きな測定誤差をもたらす
ことがある。音の伝播速度が強く温度に依存しているた
め、他の誤差が生じる。結晶成長時に温度と温度勾配が
連続的に変化するため、測定信号の正確な検量が可能で
ない。さらに、実際に機械的衝撃波である超音波が、成
長する結晶前線で欠陥あるいは障害を起こすことがあ
る。 ３．結晶高さの機械的検出（Ｄ．Ｃ．Ｓｔｏｃｋｂａｒ
ｇｅｒ，「人工蛍石」Ｊ．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃ．Ａ
ｍｅｒ．３９、７３１〜７４１頁（１９４９年）を参照
のこと）。成長容器内の結晶の高さを、例えばタングス
テン又はグラファイトから作られた検出ロッド又はバー
で任意の間隔で測定する。

【０００４】しかし、この検出バー又はロッドの機械的
な動きが溶融物内の温度不均一性と、溶融物での望まし
くない対流の発生をもたらすことがある。検出バー又は
ロッドの先端あるいは後端が、結果として結晶内に機械
的ストレスを生じることがあり、それが他の用途に不適
切な結晶の接触領域を作り出す。後続の温度処理も結晶
内のこの種の欠陥を取り除くことができない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、結晶成長プロセスの制御の必要条件としての結晶成
長速度を測定するために、相界面の位置の測定を可能に
する、結晶成長時、相界面の位置を測定する方法及び装
置を提供することである。

【０００６】

【解題を解決するための手段】本発明によれば、結晶成
長時に溶融物と成長する結晶との間の相界面の位置を測
定する方法は、該溶融物と結晶との間の相界面へ入射光
信号を伝え、該入射光信号から、相界面で形成された反
射光信号により該相界面の位置又は部分を測定する工程
を有する。本発明に係る結晶成長時に溶融物と成長する
結晶との間の相界面の位置を測定する装置は、該溶融物
と成長する結晶との間の相界面へ入射光信号を伝える手
段と、相境界から結果として反射された光信号から該相
界面の位置又は部分を測定する手段とを有する。この相
界面の位置を測定する手段は、共焦レンズ構造又は光学
系を備えた三角測量用手段と、干渉的バランス又は調整
手段あるいは光学信号移行時間測定手段とを備えること
ができる。本発明に係る方法と装置は、結晶成長容器内
の結晶高さを測定するために特に適している。

【０００７】該相境界の位置測定あるいは結晶高さの測
定は、本発明によれば光学的方法により結晶と接触せず
に行なわれる。このように、反射、及び必要なら液体と
固体（溶融物と結晶）との間の相界面での光信号の位相
シフトが、結晶成長容器内での界面（相境界）の位置あ
るいは高さを確定する。相界面の位置は、干渉的バラン
ス又は調整により、光学信号の移行時間により、又は共
焦レンズ又は光学構造を用いて三角測量で確立すること
ができる。光信号の入力に必要な光学窓が、例えばタン
グステンあるいはグラファイトから作られ、溶融物の上
部領域に数ミリメートル浸漬されあるいは浸けられる中
空ロッド、管又はパイプに設けられることが好ましい。
反射及び入射信号の光ビームは垂直であるのが好まし
い。この配置は、溶融物の表面での光信号の反射が非常
に大きい場合に特に有利である。

【０００８】また、光学窓を、該窓表面にもや又は蒸着
が生じない容器の最も暖かい位置に設けることができ
る。三番目の可能性は、すでに成長している結晶の測定
が行なわれるように窓が種結晶の近くに配置されること
である。炭化珪素とダイヤモンドを、高温抵抗あるいは
耐熱性でなければならない窓材料として使用することが
できる。これらの材料は、広い分光透過範囲、高い透過
率及び化学的反応性環境に対する耐薬品性を有する。該
広い分光透過範囲により、測定される結晶物質の吸収挙
動に対する使用波長範囲の最適な調整が可能となる。光
学窓に使用される材料が単結晶材料であることが重要で
ある。また、この窓はＤＬＣコーティング材料（ＤＬＣ
＝ダイヤモンドのような炭素）とすることもできる。結
晶用材料がＣａＦ_２であれば、グラファイト管に設けら
れた炭化珪素又はダイヤモンド窓を使用することが、そ
れらの材料が液体フッ化カルシウムで濡れないため有利
である。測定プロセスが停止したら、難なく結晶からそ
の材料を除去することができる。

【０００９】入射ビームが好適に垂直であれば、入射及
び反射角度を変更及び、相界面の移動による再焦点設定
のための後続の調整が不要である。相界面の位置と高さ
の調整は測定信号の直接移行時間測定で行なわれること
がある。例えば０．１ｍｍの分解能を得るために、フェ
ムト秒範囲のレーザーパルスを使用しなければならな
い。しかし、その測定は測定信号の位相シフトによって
も行なうことができる。１０ｍＷ出力を持つ商業的なＨ
ｅ−Ｎｅレーザーが光源として使用されることができ
る。レーザー信号との連結は、水冷容器壁の近くの適当
な光学部品で配置される光ガイドケーブルで行なうこと
ができる。本発明に係る方法と本発明に係る装置は非接
触で温度と無関係な状態で作動する。これにより連続測
定が可能となり、成長結晶の結晶格子を損傷させない。
測定信号はプロセスを直接制御するために使用すること
ができる。本発明に係る方法は、ＶＧＦ法（ＶＧＦ＝垂
直勾配フリーズ）による結晶を成長させるために特に適
している。本発明の方法の他の利点は、結晶成長の現在
の装置を改造する必要がないことである。溶融物中に浸
される窓付きパイプを接触ロッド用の既存ガイドに使用
できる。この既存ガイドは、結晶成長容器内で必要とさ
れる真空あるいは不活性ガス雰囲気を維持できるために
気密であるように、通常、構成されている。本発明の目
的、特徴及び利点を、添付図面を参照して以下の好まし
い実施形態の説明によりさらに詳細に説明する。

【００１０】

【発明の実施形態】光学的距離又は位置測定装置の物理
的根拠を例示によって簡単に説明する。屈折率ｎ_１及び
ｎ_２の２つの光媒体間の位相界面での垂直ビーム（垂直
に入射する）の反射率（入射光に対する反射光の比率）
はフレネル式（１）で示される。すなわち、 （１） Ｒ＝｛（ｎ_２−ｎ_１）／（ｎ_１＋ｎ_２）｝^２ 第１の近似では、材料の固体相と液体相の屈折率が、密
度の差だけにより異なる。Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｍｏｓｏ
ｔｔｉの法則により、密度ρ_ｓを有する溶融物の屈折率
ｎ_ｓを、融点に近いがそれ以下である密度ρ_Ｆの結晶の
屈折率ｎ_Ｆから推定することができる。 （２） （ｎ_ｓ ^２−１）／（ｎ_Ｆ ^２−１）＝ρ_ｓ／ρ_Ｆ
＋．．； 従って、屈折率ｎ_Ｆは（２）から、 （３） ｎ_ｓ＝｛１＋（ρ_ｓ／ρ_Ｆ）・（ｎ_Ｆ ^２−
１）｝^１／２ 結晶の材料がＣａＦ_２の場合、溶融物の密度、ρ_ｓ＝
２．５３ｇ／ｃｍ^３及び溶融物温度Ｔ_ｓが約１３８０℃
である。溶融物温度近傍の固体結晶の密度は、略、２０
℃の密度（ρ_Ｆ，_２０℃＝３．１８ｇ／ｃｍ^３）で、体
熱膨張率β＝６０×１０^−６／Ｋである。固体ＣａＦ_２
の屈折率は同様に決定することができる。

【００１１】２０℃で６３２ｎｍの波長での固体ＣａＦ
_２の屈折率ｎ_Ｆ，_{６３２ｎｍ}が１．４３３であるため、
２０℃での固体ＣａＦ_２の屈折率ｎ_Ｆ，_{６３２ｎｍ}の推
定値が、 ｎ_Ｆ，_{６３２ｎｍ},_{１３６０℃}＝１．４２３ 及び溶融ＣａＦ_２の屈折率の場合は、 ｎ_{ｓ，６３２ｎｍ}＝１．３５６ これらの屈折率の値を使用して、溶融物と固体結晶との
間の相界面の反射率Ｒは、 Ｒ_{Ｐｈｇ，６３２ｎｍ}＝５．８×１０^−４＝０．０５８
％になる。対照的に、溶融物から真空までの反射率は、 Ｒ_{Ｖａｋ，６３２ｎｍ}＝２．３％になる。従って後者の
相境界での光の反射は、溶融物と結晶との間の相界面の
光の反射より４０倍大きい量である。従って、溶融物か
らの上面反射をかなり抑制する必要がある。また液体表
面にある不可避的欠陥が光の透過率を悪化させるか、欠
点のある測定信号を生じる。

【００１２】ここで説明する方法及び装置では、中空ロ
ッド又は管の前側に取り付けられ、溶融物に浸漬される
光学窓が使用される。この管は（溶融物容器のような）
タングステン又はグラファイト耐熱材料からなる。窓で
発生する反射を抑えるためにその窓を光軸に対して所定
の角度に傾ける。また溶融物中に生じた不可避的な気泡
が窓には集まらず、その溶融物の表面に上る。この装置
を図１の断面図に示す。既に一部が凝固して結晶１３を
生成した溶融物１２が、フッ化カルシウムの成長容器と
して作用するグラファイト容器１０内に保持されてい
る。相界面１４が溶融物１２と結晶１３との間に形成さ
れている。結晶が成長する溶融物１２上方で容器内に真
空を配設する。グラファイト管１５を溶融物１２内に数
ミリメートル浸漬する。炭化珪素又はダイヤモンドから
作られた光学窓１６を管１５の下部に取り付ける。この
窓１６と管１５を互いに面一に接続する。窓１６を管１
５の縦軸に略一致し垂直である光軸１７に対して数度傾
ける。これは、光軸が相界面１４に垂直に延びているこ
とを意味している。従って、窓１６の双方の平行面で反
射する放射線１８は光軸１７に沿って反射せず、光軸１
７に対しある角度で反射する。そのため、このような戻
り反射放射線はもはや測定に影響しない。窓１６を、炭
化珪素又はダイヤモンドの代わりに、ＤＬＣ‐コーティ
ングされた材料（ＤＬＣ：ダイヤモンドのような炭素）
から作ることができる。

【００１３】結晶成長容器として作用するグラファイト
容器１０は、１５００℃より高温になることがあるた
め、容器とその容器内の材料で出される熱放射線が測定
信号を妨害しないようにする対応策が必要である。これ
らの対応策は、管１５の相境界で反射する放射線の方向
に伝わる熱放出の部に対しても有効である必要がある。
黒体からの放射線は、約１５００℃の温度でＷｉｅｎの
法則によれば約１．６ミクロンである。分光エネルギー
分布は、黒体放射線に対するＰｌａｎｋの法則による放
射線最大での波長より短い波長で指数関数的に低下す
る。従って、可能な最短の波長と可能な最小の帯域幅
は、反射測定信号と容器のバックグラウンド放射線との
間の最高の可能な信号対ノイズ比を得るために測定信号
用に使用する必要がある。０．６３２ミクロン又は６３
２ｎｍの波長のＨｅ−Ｎｅレーザーが放射線源として適
切である。また、狭い帯域幅のスペクトルフィルター
は、測定信号の帯域幅の外部にある黒体放射線をマスク
する。基本的に距離又はスペースの測定の場合、光の直
線的な増幅（三角測量、共焦距離測定）、光ビームの時
間的なコヒーレンス（位相測定干渉計）又は光ビーム又
はパルスの移行時間、で求めることができる。

【００１４】図２では、共焦の光又はレーザー構造体を
用いた三角測量による距離測定を示す概略図が示されて
いる。光源２０から出た光はビームスプリッター２１を
通り平行光ビームを作る第１レンズ系２２に入る。そこ
から平行光は光学窓１６近くの第２レンズ系２３を通り
管１５の末端まで達する。その光は第２レンズ系２３か
ら相界面１４に焦点を結ぶ。両方のレンズ系２２、２３
を管１５内に一体化することができる。相界面１４で反
射した光は同じ通路に沿って逆向きに伝えられビームス
プリッター２１で偏光され、適切なスペクトルフィルタ
ー及びセンサーが後ろに配置されるダイヤフラム又はス
トッパーまで達する。図２には、ダイヤフラム、スペク
トルフィルター及びセンサーを備える検出器２４が示さ
れている。光源、相界面１４及びダイヤフラムが光学的
に共役な面に配置されると、最大信号が検出器２４のセ
ンサーで製造される。相界面１４の動きは、共焦調整又
はバランス化が行われるように第１レンズ系２２の位置
をシフトすることにより補償される。言い換えれば、相
界面１４の位置又はシフトが、共焦調整又はバランス化
に対して第１レンズ系２２をシフトすることにより検出
される。

【００１５】図３は干渉計位置又は距離測定の原理を示
している。この方法では、干渉計も共役面の調整又はバ
ランス化を確立する役割を果たす。不十分なバランス化
時に相界面で反射した光ビームの波頭が焦点変動のため
に曲げられる。この合焦誤差は、例えば、反射波頭のＺ
ｅｒｎｉｋｅ多項式への表現化（細分化）により導くこ
とができる。他の可能性はＳｈａｃｋ−Ｈａｒｍａｎｎ
センサーの使用に基づいている。また波頭の平面性又は
波頭の湾曲が共焦バランス化又は調整の手段として測定
される。図４は移行時間法において相界面までの距離と
その位置を測定する装置のブロック図を示す。短い光の
パルス光源４１から相界面１４へのターゲットに向け伝
えられる。相界面１４から反射した光をセンサー４２に
受光する。センサー４２からの信号４２は信号プロセッ
サーで処理される。相界面１４からの光源４１とセンサ
ーの距離及び／又は相界面１４の高さは光パルスの移行
時間と光パルスの非常に正確な公知伝播速度から正確に
測定することができる。

【００１６】△ｔ＝△ｓ／ｃ≦０．３×１０^−１２秒の
時間分解能は光速Ｃ＝２．９９７×１０^８ｍ／ｓで０．
１ｍｍの所望の測定精度△ｓに必要とされる。レーザー
の光はＧｈｚ範囲の高周波で調整されるのが好ましい。
結晶相界面１４から反射した信号の位相は入射信号の位
相と電気的に比較される。従って、相界面で位相シフト
が測定される。変調高周波を、ある範囲にわたり好適に
変化させることができる。相界面までの距離あるいは相
界面の位置を、変調周波数により信号の測定位相シフト
又は位相位置から測定することができる。例えば、フェ
ムト秒パルスレーザーを光源４１として使用することが
できる。このレーザーからの非常に短いパルスにより光
信号の移行時間測定が直接可能となる。容器１０内の相
界面１４の実際の位置と高さに関する情報を含む信号
を、結晶化プロセスを制御する実際値信号として直接使
用することができる。本発明は、例えば液体溶融物と固
体結晶との間の界面までの位置あるいは距離を測定する
方法及び装置で具体化されるものとして例示し説明され
たが、種々の改良と変形を本発明の趣旨から何ら逸脱せ
ずに行なうことができるため、図示された細目に限定す
ることを意図するものではない。他の分析がなくとも、
これまでの説明が本発明の要旨を十分に示しているの
で、現在の知識を適用することによって他人が、従来技
術の観点からこの発明の一般的な面あるいは特定の面の
本質的な特性をかなり構成する特徴を省略することなく
種々の用途に本発明を容易に適合することができる。請
求するものは新規であり、特許請求の範囲に示してあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】光学窓が溶融物に浸漬されている、ＶＧＦ法に
係る結晶成長用容器の縦断面図である。

【図２】主構造の特徴を示す共焦距離測定用装置の模式
縦断面図である。

【図３】干渉計の距離測定原理を示す模式図である。

【図４】移行時間距離測定の原理を示す模式図である。

【符号の説明】

１０…グラファイト容器、１２…溶融物、１３…結晶、
１４…相界面、１５…管、１６…光学窓、１７…光軸。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランク−トーマス レンテス ドイツ、55411 ビンゲン、ゲーテシュト ラーセ ９ (72)発明者 グンター ヴェールハン ドイツ、07749 イェナ、ツィーゲンハイ ナー シュトラーセ 43 (72)発明者 ブルクハルド シュパイト ドイツ、07743 イェナ、タルシュトラー セ 14 (72)発明者 ハンス−ヨルグ アクスマン ドイツ、07745 イェナ、ミューレンシュ トラーセ 131 Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA06 AA15 BB15 CC32 DD16 FF09 FF31 FF49 FF51 GG04 GG05 LL01 LL07 LL21 LL46 4G077 AA02 BE02 CD02 CD04 EH01 EH10 HA01 MB04 MB08

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶融物と前記溶融物から成長する結晶と
   の間の相界面の位置を測定する方法であって、前記方法
   が、 ａ）前記溶融物と前記結晶との間の相界面へ入射光信号
   を伝える工程と、 ｂ）前記相界面の前記位置を測定するために、前記入射
   光信号によって前記相界面で形成された反射光信号を測
   定する工程とを有することを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 前記相界面の前記位置の測定が共焦レン
   ズ又は光学部品系を用いた三角測量で行なわれることを
   特徴とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記相界面の前記位置の測定が干渉的調
   整又はバランスにより行なわれることを特徴とする請求
   項１記載の方法。
4. 【請求項４】 前記相界面の前記位置の測定が光信号移
   行時間により行なわれることを特徴とする請求項１記載
   の方法。
5. 【請求項５】 結晶成長容器内で垂直勾配固定法で前記
   溶融物から前記結晶を成長させ、前記光信号を光学窓に
   通す工程をさらに有することを特徴とする請求項１記載
   の方法。
6. 【請求項６】 前記入射光信号と前記反射光信号の双方
   の光路は前記界面に略垂直であることを特徴とする請求
   項１記載の方法。
7. 【請求項７】 前記光学窓は管の一端に配置され、前記
   窓が前記溶融物内に位置するように前記管を前記溶融物
   内に浸漬する工程をさらに有することを特徴とする請求
   項５記載の方法。
8. 【請求項８】 前記光学窓と前記管は該光学窓が光軸に
   対して傾くように配置されることを特徴とする請求項７
   記載の方法。
9. 【請求項９】 前記固体結晶はフッ化カルシウム結晶で
   あることを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記光学窓は炭化珪素、ダイヤモンド
    及びダイヤモンドのような炭素コーティングからなる群
    から選択された少なくとも一部材からなることを特徴と
    する請求項５記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記光学窓は単結晶材料からなること
    を特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 【請求項１２】 溶融物と該溶融物から成長する結晶と
    の間の相界面の位置を測定する装置であって、前記装置
    は、 前記溶融物と前記結晶との間の相界面へ入射光信号を伝
    える手段と、 前記相界面の前記位置を測定するために前記入射光信号
    から前記相界面で生じた反射光信号を測定する手段とを
    備え、 前記反射光信号を測定する手段は、共焦レンズ構造又は
    光学系を備えた三角測量用手段、干渉的バランス又は調
    整手段又は光学信号移行時間を測定する手段を備えるこ
    とを特徴とする装置。
13. 【請求項１３】 前記入射光信号が通る光学窓と、垂直
    勾配固定法により前記結晶を成長させる結晶成長容器と
    をさらに備えることを特徴とする請求項１２記載の装
    置。
14. 【請求項１４】 前記光学窓が一端に取り付けられる管
    をさらに備え、前記管は、前記管の前記一端の光学窓が
    前記溶融物内に浸漬されるように配置され、前記入射光
    信号と前記反射光信号は前記相界面に略垂直であること
    を特徴とする請求項１３記載の装置。
15. 【請求項１５】 前記管の前記一端にある前記光学窓は
    光軸に対して傾けられることを特徴とする請求項１４記
    載の装置。
16. 【請求項１６】 前記光学窓は、炭化珪素、ダイヤモン
    ド及びダイヤモンドのような炭素コーティングからなる
    群から選択された少なくとも一部材からなることを特徴
    とする請求項１３記載の装置。
17. 【請求項１７】 前記光学窓は単結晶材料からなること
    を特徴とする請求項１６記載の装置。