(57)【要約】      （修正有）【課題】坩堝内の結晶周辺部に発生した転位が結晶内部に蓄積することを低減した単結晶製造方法及び装置を提供する。【解決手段】坩堝５内の原料を溶融し温度勾配を利用して前記原料の融液６を該融液の一端から順次に固化させて柱状の単結晶を成長させる単結晶製造方法において、前記坩堝５内の融液６中に前記一端の方向に凹面を向けた界面形状成形部材９を配置し、該界面形状成形部材９を結晶８と融液６との境界としての固液界面７に対して所定範囲内の距離ｄに保持しつつ前記界面形状成形部材と前記坩堝とを相対移動させながら単結晶を成長させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
坩堝内の原料を溶融し温度勾配を利用して前記原料の融液を該融液の一端から順次に固化させて柱状の単結晶を成長させる単結晶製造方法において、前記坩堝内の融液中に前記一端の方向に凹面を向けた界面形状成形部材を配置し、該界面形状成形部材を結晶と融液との境界としての固液界面に対して所定範囲内の距離に保持しつつ前記界面形状成形部材と前記坩堝とを相対移動させながら単結晶を成長させることを特徴とする単結晶製造方法。
【請求項２】
前記坩堝は、円錐状部分と円筒状部分とを有し、同心円状に配された複数の前記界面形状成形部材を用いることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造方法。
【請求項３】
前記所定範囲内の距離は、前記固液界面を前記界面形状成形部材の方向に凸の形状にするために適した距離であることを特徴とする請求項１または２に記載の単結晶製造方法。
【請求項４】
坩堝内の原料を溶融し温度勾配を利用して前記原料の融液を該融液の一端から順次に固化させて柱状の単結晶を成長させる単結晶製造装置において、前記坩堝内の融液中に配されるべき、前記一端の方向に凹面を向けた界面形状成形部材と、該界面形状成形部材を結晶と融液との境界としての固液界面に対して所定範囲内の距離に保持しつつ前記界面形状成形部材と前記坩堝とを相対移動させる手段とを有することを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項５】
同心円状に配された複数の前記界面形状成形部材を有し、前記坩堝は円錐状部分と円筒状部分とを有することを特徴とする請求項４に記載の単結晶製造装置。
【請求項６】
前記所定範囲内の距離は、前記固液界面を前記界面形状成形部材の方向に凸の形状にするために適した距離に設定されていることを特徴とする請求項４または５に記載の単結晶製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶成長技術に関するものであり、例えば、半導体露光装置のレンズ材料として用いられる蛍石単結晶を成長させるための、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）による単結晶製造方法及び単結晶製造装置に適したものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、超微細パタ−ン形成への要求がますます高まっている。微細パタ−ンをウエハ上に転写するリソグラフィー装置としては、縮小投影露光装置が多用されている。高集積化するためには、投影レンズの解像度を上げる必要がある。そして、投影レンズの解像度を上げるには、短波長の露光光を用い、投影レンズの開口数を大きく（大口径化）する必要がある。
【０００３】
露光光の短波長化は、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレ−ザ光（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレ−ザ光（１９３ｎｍ）と進み、今後は、Ｆ２レ−ザ（１５７ｎｍ）の使用が有望視されている。ｉ線までの波長域では、光学系に従来の光学レンズを使用することが可能であったが、ＫｒＦ、ＡｒＦ各エキシマレ−ザ、Ｆ２レ−ザ光の波長域では、透過率が低く、従来の光学ガラスを使用することは不可能である。このため、エキシマレ−ザ露光装置の光学系には、短波長光の透過率が高い石英ガラスまたは蛍石を使用するのが一般的になっており、Ｆ２レ−ザ露光装置では、蛍石が必須とされている。
【０００４】
また、投影レンズを構成する各レンズは、極限の面精度で研磨されるが、多結晶になっていると、結晶方位によって研磨速度が異なるため、レンズの面精度を確保することが困難になる。更に多結晶の場合には、結晶界面に不純物が偏析し易く、屈折率の均一性を損ねたり、レ−ザ照射により蛍光を発したりする。このような理由で、大口径高品質の単結晶蛍石が望まれている。
【０００５】
蛍石は通常、垂直ブリッジマン法（VB法）で製造されており、その製造装置は図２に示すような構成になっている（米国特許第２２１４９７６号の明細書参照）。図２において、１は炉本体、２は炉内を高温領域１ａと低温領域１ｂに分割する断熱部材、３ａは上ヒータ、３ｂは下ヒータ、４は炉本体１の底を貫通する支持棒、５（５ａ，５ｂ）は支持棒４の上端に取り付けた坩堝である。この坩堝５に原料を入れ、炉内を真空にし、炉温を蛍石の融点以上、通常摂氏１３９０〜１４５０度まで上げて蛍石を熔融する。図２の左側のグラフは、炉の中心部の鉛直方向に沿った温度を示している。このグラフに示すように、断熱部材２の位置が融点温度Ｔ１になるように設定されている。結晶成長させる時は、０．１〜５ｍｍ／時ぐらいの速度で坩堝５を高温領域１ａから低温領域１ｂに降下させ、下部の方から結晶化させていく。図２は、この坩堝降下の途中の状態を示しており、６は融液、８は固化した結晶、７は固液界面である。
【特許文献１】米国特許第２２１４９７６号の明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
大口径単結晶になると、固液界面形状が凹型になるために、坩堝周辺部で発生した転位が結晶成長と共に内側に蓄積しやすい。
【０００７】
固液界面形状が凹型になる原因としては融液に生ずる対流がある。垂直ブリッジマン法では、上方が高温、下方が低温なので、対流は生じないと思われがちである。しかし、坩堝は外側から加熱されるため、融液の半径方向、あるいは坩堝壁面と融液の間に温度差が生じて対流が起こる。図２において、１２は代表的な対流のパターンを示す。このような対流が起こるメカニズムは次のように説明される。先ず、融液の半径方向に温度差があると、半径方向の密度差をもたらして対流が誘起される。その結果、融液が均熱化する。一方、坩堝壁面の温度は固液界面部７から上方に徐々に高温になっているので、坩堝壁面温度と融液温度を比較すると、次のような状況になる。即ち、下部（固液界面７の近傍）では坩堝壁面温度が融液温度より低く、上部では坩堝壁面温度が融液温度より高くなる。この結果、融液は、下部では壁面に沿った下降流、上部では壁面に沿った上昇流となる。このようにして発生する対流は、坩堝が大型になり半径方向の温度差や坩堝壁面の温度勾配が大きくなるにつれて強くなる。この対流が固液界面を凹形状にし坩堝周辺部で生じた転位を内部に蓄積しやすくしている。
【０００８】
本発明は、坩堝内の結晶周辺部に発生した転位が結晶内部に蓄積することを低減した単結晶製造方法及び装置を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決し、上述した目的を達成するために、本発明は、坩堝内の原料を溶融し温度勾配を利用して前記原料の融液を該融液の一端から順次に固化させて柱状の単結晶を成長させる単結晶製造方法において、前記坩堝内の融液中に前記一端の方向に凹面を向けた界面形状成形部材を配置し、該界面形状成形部材を結晶と融液との境界としての固液界面に対して所定範囲内の距離に保持しつつ前記界面形状成形部材と前記坩堝とを相対移動させながら単結晶を成長させることを特徴とする。前記坩堝は、例えば、円錐状部分と円筒状部分とを有し、同心円状に配された複数の前記界面形状成形部材を用いることを特徴とする。前記所定範囲内の距離は、例えば、前記固液界面を前記界面形状成形部材の方向に凸の形状にするために適した距離であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、坩堝内の原料を溶融し温度勾配を利用して前記原料の融液を該融液の一端から順次に固化させて柱状の単結晶を成長させる単結晶製造装置において、前記坩堝内の融液中に配されるべき、前記一端の方向に凹面を向けた界面形状成形部材と、該界面形状成形部材を結晶と融液との境界としての固液界面に対して所定範囲内の距離に保持しつつ前記界面形状成形部材と前記坩堝とを相対移動させる手段とを有することを特徴とすることができる。また、本発明は、同心円状に配された複数の前記界面形状成形部材を有し、前記坩堝は円錐状部分と円筒状部分とを有することを特徴とすることができる。前記所定範囲内の距離は、前記固液界面を前記界面形状成形部材の方向に凸の形状にするために適した距離に設定されていることが好ましい。
【００１１】
（作用）：該界面形状成形部材と固液界面との間では対流が低減する。また、界面形状成形部材は、その温度が均一化されるために、付近の等温線を界面形状成形部材と略同じ形状にする。その結果、固液界面が前記界面形状成形部材の方向に凸の形状となる。これにより、転位の結晶内部への蓄積が低減する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、坩堝内の結晶周辺部に発生した転位が結晶内部に蓄積することを低減した単結晶製造方法及び装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の単結晶製造方法は、好ましくは坩堝内の原料を溶融し温度勾配を利用して融液を下端から徐々に固化させて柱状の単結晶を育成する垂直ブリッジマン法により、該坩堝内の融液中に同心円状に分離できる界面形状成形部材の各パーツを図１（ｃ）に示すように坩堝コニカル部にそれぞれの半径の大きさに合う部分に配置する。この界面形状成形部材は組み合わされると、図１（ｄ）に示すように、凸の形状をしており、該融液と結晶との境界に形成される固液界面に対して微小距離に保持しながら単結晶を育成することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の単結晶製造装置は、坩堝内の原料を溶融し温度勾配を利用して融液を下端から徐々に固化させて柱状の単結晶を育成するために、垂直ブリッジマン法を用いる装置であって、該坩堝内の融液中に配置された界面形状成形部材が同心円状に分離可能であり、且つ、凸の形状をしており、融液と結晶との境界に形成される固液界面に対して微小距離を隔てて上方に該界面形状成形部材を保持する保持手段を有することを特徴とする。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の実施例１に係る単結晶製造装置の断面図である。図１において、１は炉本体であり、２は炉内を高温領域１ａと低温領域１ｂに分割する断熱部材である。３ａは上ヒータであり、３ｂは下ヒータである。４は炉本体１の底を貫通して坩堝５を支える支持棒であり、５は直胴部５ａとコニカル部５ｂを有する支持棒４の上端に取りつけた坩堝である。９は同心円状の複数部分に分離することができる界面形状成形部材であり、１０は界面形状成形部材９の保持手段となる支柱である。１１は界面形状成形部材９を炉に対して一定位置までで移動しなくなるようにするストッパを兼ねた錘である。
【００１６】
図１に示す構成において、結晶は次のようにして育成される。先ず、坩堝５に原料を入れ、高温領域１ａで溶融する。図１（ａ）のグラフは炉内の温度分布を示す。このグラフに示すように、断熱部材２の位置が融点温度Ｔ１になるように、ヒータ３ａ、３ｂを制御する。次に坩堝５を高温領域１ａから低温領域１ｂに降下させ、下部の方から結晶化させていく。図１は、この坩堝降下の途中の状態を示しており、６は融液、８は固化した結晶、７は固液界面である。界面形状成形部材９は、初期状態では、図1（ｃ）に示すように、分離した状態でコニカル部５ｂに設置しておき、結晶成長が進んで固液界面位置が直胴部５ａに近づくのに伴い、図１（ｄ）に示すように、1枚の凸型形状になる。固液界面７の位置は、上記の温度分布によってほぼ一定位置Ｚ１に固定されるので、支柱１０の長さを調整して、界面形状成形部材９を固液界面７の直上に所定範囲内の距離ｄを保つことができる。界面形状成形部材９の上方の融液には対流が発生するが、この対流は固液界面７には影響しない。むしろ対流によって界面形状成形部材９は均熱化され対流を抑制する。また、界面形状成形部材９が均熱化されるために、界面形状成形部材９付近の等温線は界面形状成形部材９の形状に沿ったものになる。界面形状成形部材９は凸形状をしているので、固液界面７の形状も凸形状になる。この結果、凹型固液界面による転位の蓄積が抑えられ、大口径で高品質の単結晶の製造が可能となる。
【００１７】
尚、所定範囲内の距離ｄは、固液界面７を凸形状にするために適した距離として、可能な限り小さくするのが良いが、坩堝降下の過程における固液界面７の位置変動を見越して、固液界面７と界面形状成形部材９が接触することがないように支柱１０の長さを設定する必要がある。この値は、実験やシミュレーションによって決定可能である。発明者らの検討結果によると、内径２５０〜３５０ｍｍの坩堝に対して、ｄ＝１０〜１５０ｍｍとするのが良い。
【００１８】
また、界面形状成形部材９の上下の融液は流通可能になっていなければならない。その流通経路を確保する方法の１つは、界面形状成形部材９に1つ以上の小穴を設けることである。また、界面形状成形部材９の外径と坩堝の内径の間に隙間を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】(a)は本発明の実施例に係る単結晶製造装置内で作られる温度分布を示すグラフであり、(b)は本発明の実施例に係る単結晶製造装置の断面図であり、(c)は本発明の実施例に係る固液界面成形部材と坩堝の変位例を示す図であり、(d)は本発明の実施例に係る固液界面成形部材と坩堝の変位例を示す図である。
【図２】従来の単結晶製造装置の断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１：炉本体、１ａ：高温領域、１ｂ：低温領域、２：断熱部材、３ａ：上ヒータ、３ｂ：下ヒータ、４：支持棒、５：坩堝、５ａ：坩堝直胴部、５ｂ：坩堝コニカル部、６：融液、７：固液界面、８：結晶、９：界面形状成形部材、１０：支柱、１１：錘（ストッパ）、１２：対流。
【図１】
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【図２】
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