(57)【要約】【課題】覗き窓部における透明板の透明性や透視性を良好に維持でき、長期間安定的に単結晶体を製造できる単結晶引き上げ装置を開発すること。【解決手段】開口端が透明板により閉塞されてなる筒状の覗き窓部がチャンバーの上部に設けられてなるフッ化カルシウム等の単結晶引き上げ装置において、当該覗き窓部の周壁に冷却ジャケット等の冷却器を設けるか、覗き窓部内の開口端近傍に、不活性ガスの噴出機構を設けることを特徴とする前記単結晶引き上げ装置。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口端が透明板により閉塞されてなる筒状の覗き窓部がチャンバーの上部に設けられてなる単結晶引き上げ装置において、当該覗き窓部の周壁に冷却器が設けられてなることを特徴とする前記単結晶引き上げ装置。
【請求項２】
冷却器が水冷器であることを特徴とする請求項１記載の単結晶引き上げ装置。
【請求項３】
覗き窓部の筒長が、該覗き窓部の筒内径の２〜１０倍である請求項１又は請求項２記載の単結晶引き上げ装置。
【請求項４】
フッ化金属の単結晶引き上げ用である請求項１〜３のいずれか一項に記載の単結晶引き上げ装置。
【請求項５】
開口端が透明板により閉塞されてなる筒状の覗き窓部がチャンバーの上部に設けられてなる単結晶引き上げ装置において、当該覗き窓部内の開口端近傍に、不活性ガスの噴出機構が設けられてなることを特徴とする前記単結晶引き上げ装置。
【請求項６】
請求項５記載の構造を備えてなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の単結晶引き上げ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶引き上げ装置、詳しくはチャンバーの上部に筒状の覗き窓部が設けられた単結晶引き上げ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン、ゲルマニウム等の半導体単結晶などの種々の結晶体の製造に際して、引き上げ法（チョクラルスキー法）が汎用されている。すなわち、引き上げ法は、坩堝中の単結晶製造原料の融液に、目的とする単結晶からなる種結晶体を接触させ、次いで、その種結晶体を坩堝の加熱域から徐々に引き上げて緩やかな温度勾配で冷却することにより、該種結晶体を起点として下方に単結晶を育成する方法である。
【０００３】
こうした引き上げ法による単結晶体の製造においては、チャンバーの上部に、開口端が透明板により閉塞されてなる筒状の覗き窓部が設けられているのが一般的である。この覗き窓部は、坩堝内の原料融液への種結晶体の接触時において、単結晶引き上げロッドの上下動を観察するために有効に利用される。また、原料融液への種結晶体の接触時を初めとして、かかる原料融液の表面状態を随時に観察することができ、また、引き上げられる単結晶体の育成状態も随時に観察できる。さらには、この覗き窓部の外部にふく射温度計を設置することにより、引き上げ界面のメニスカス輝度部の温度変化等を測定することも可能であり、単結晶体の製造を円滑に行うために重要な役割を果たしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
単結晶の引き上げは、極めて高温で行われるため、チャンバー内には、通常、原料の気化ガスや副生物ガスが発生する。一般に、チャンバー内には不活性ガスが導入されているが、この原料気化ガスや副生物ガスはチャンバー上部にまで上昇することもあり、その場合、前記覗き窓部の開口端を閉塞する透明板を曇らせたり、凝結して該透明板表面に固形物が固着し、その透明性や透視性を大きく低下させていた。
【０００５】
特に、近年、以下の理由からその有用性が高まっているフッ化金属の単結晶体を、かかる構造の単結晶引き上げ装置を用いて製造しようとした際には、この原料気化ガス等による覗き窓部の透明性低下の問題は顕著に発生し、単結晶体の安定的な引き上げの大きな障害になっていた。
【０００６】
すなわち、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化マグネシウム、フッ化リチウム等のフッ化金属の単結晶体は、広範囲の波長帯にわたって高い透過率を有し、低分散で化学的安定性にも優れることから、紫外波長または真空紫外波長のレーザを用いた各種機器、カメラ、ＣＶＤ装置等のレンズ、窓材等の光学材料として需要が広がってきており、とりわけ、フッ化カルシウム単結晶体は、光リソグラフィー技術において次世代の短波長光源として開発が進められているＦ２レーザ（１５７ｎｍ）での投影レンズとして期待が寄せられている材料である。しかして、これらフッ化金属は、融解温度付近における蒸気圧が高いのに加えて、単結晶体製造における結晶化速度が極端に遅いため、チャンバー内において、坩堝上方の単結晶引き上げ域は、温度の低下勾配を極めて緩やかに設定する必要があり、これらの要因から、原料のフッ化金属ガスが多量にチャンバー上部まで上昇してきて、前記覗き窓部の透明板の透明性低下の問題が極端に発生し易かった。
【０００７】
以上の状況にあって本発明は、覗き窓部における透明板の透明性や透視性を良好に維持でき、長期間安定的に単結晶体を製造できる単結晶引き上げ装置を開発することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意研究を続けてきた。その結果、覗き窓部の周壁に冷却器を設けること、或いは該覗き窓部内の開口端近傍に、不活性ガスの噴出機構を設けることにより上記の課題が解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、〔１〕開口端が透明板により閉塞されてなる筒状の覗き窓部がチャンバーの上部に設けられてなる単結晶引き上げ装置において、当該覗き窓部の周壁に冷却器が設けられてなることを特徴とする前記単結晶引き上げ装置である。
【００１０】
また、本発明は、〔２〕開口端が透明板により閉塞されてなる筒状の覗き窓部がチャンバーの上部に設けられてなる単結晶引き上げ装置において、当該覗き窓部内の開口端近傍に、不活性ガスの噴出機構が設けられてなることを特徴とする前記単結晶引き上げ装置である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に準じて本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１は、本発明の単結晶引き上げ装置の代表的態様の概略図である。図１の単結晶引き上げ装置では、チャンバー（１）内において、回転可能な支持軸（２）に支えられた受け台（３）上には、内部に単結晶製造原料の融液（１０）が収容される坩堝（４）が載置されており、該坩堝（４）の周囲には、溶融ヒーター（５）が設けられ、さらに、溶融ヒーター（５）を取り囲むように断熱壁（６）が設けられている。一方、坩堝（４）の中心軸上には、先端に種結晶体（７）の保持具（８）が取り付けられた回転可能な単結晶引き上げロッド（９）が吊設されている。この種結晶体（７）は、坩堝（４）内の原料融液（１０）に接触されて引き上げられ、下方に単結晶体（１１）が育成する。
【００１３】
このような基本構造を備えた単結晶引き上げ装置において、チャンバー（１）の上部には、開口端が透明板により閉塞されてなる筒状の覗き窓部（１３）が設けられている。ここで、覗き窓部（１３）の筒内径は、特に制限されるものではないが、通常、３〜２０ｃｍである。また、筒の形状は、円筒状だけでなく、角筒状等であってもよい（この場合、上記筒内径は最長径を意味する）。
【００１４】
また、開口端を閉塞する透明板は、透明性を有し、耐熱性と原料の気化ガスや副生物ガスに対してある程度の耐性を備えた材質からなるものが適宜に使用される。石英やサファイヤ等のガラスも使用されるが、製造する単結晶体がフッ化金属である場合には、フッ化金属の結晶体であるのが好ましい。開口端においてこれら透明板は、単層で設けてもよいが、２枚以上の複層として設けてもよい。
【００１５】
本発明の特徴は、図２の覗き窓部（１３）の拡大断面図に示すように、上記覗き窓部（１３）の周壁に、水冷ジャケット等の冷却器（１４）を設けた点にある。すなわち、この冷却器（１４）の作用により、図１の単結晶引き上げ装置では、覗き窓部（１３）の周壁内面は温度が低く、原料の気化ガスや副生物ガスがチャンバー（１）内の上部にまで上昇し、該覗き窓部（１３）内にまで流入してきても、すぐに冷却されて下降するため、開口端の透明板（１２）に達するまで上昇することが大きく抑制される。したがって、これら原料気化ガス等により透明板（１２）が曇ったり、凝結物が固着して、その透視性が損なわれる問題は、大幅に改善できる。
【００１６】
覗き窓部（１３）の周壁に設ける冷却器（１４）は、水冷器、空冷器、その他の冷媒を用いた公知のものが制限なく採用できる。構造が簡単であり且つ十分な効果も得られることから、水冷器であるのが好ましい。こうした水冷器としては、水冷管を周壁の外壁面または内壁面に巻着して付設する方式のものでも良いが、効果の高さから、図２に示すように、周壁内に水冷ジャケットを環装することで実施するのが最も好ましい。これら冷却器（１４）による冷却域は、覗き窓部（１３）の周壁の下端から開口端までの全域に及ばせるのが最も効果的であるが、その一部に設けても良い。少なくとも、覗き窓部（１３）の全筒長の５０％以上、好適には６０〜９５％を占める領域に設けるのが好ましい。
【００１７】
冷却器（１４）に流す冷媒の温度は、その種類に応じて適宜選定すればよいが、水の場合４０℃以下、特に５〜３０℃が好ましい。冷媒が水の場合、その流量は、通常、０．５  〜１０Ｌ／ｍｉｎの範囲から採択される。これら冷媒の温度やその流量、さらには冷却器（１４）が冷却管である場合にはその巻着ピッチ等を、それぞれ適宜に調整することにより効果的な冷却の程度を実現すればよい。
【００１８】
上記冷却の効果をより顕著に発揮させるためには、覗き窓部（１３）は、筒長が一定以上の長さを備えているのが好ましい。すなわち、筒長を長くすれば、それだけ筒内での冷却効果は高まり、本発明の効果が高まる。筒長があまり長すぎても、観察できる範囲が狭まることもあるので、覗き窓部の筒長は、該覗き窓部の筒径の２〜１０倍、好適には３〜６倍の長さにするのが最も効果的である。
【００１９】
次に、図１の単結晶引き上げ装置において、覗き窓部（１３）の透明性の低下を防止するためには、図２の覗き窓部（１３）の拡大断面図に示すように、該覗き窓部（１３）内には、開口端近傍に、不活性ガスの噴出機構（１５）を設けるのも有効である。すなわち、この噴出機構（１５）から不活性ガスを噴出させることにより、開口端近傍の内空部には、該不活性ガスのエアーカーテンが形成され、さらには、覗き窓部（１３）内に下降気流も形成される。その結果、透明板（１２）へ達する原料気化ガス等の量は大きく低下し、前記透明板（１２）の透明性低下の問題は大きく改善できる。
【００２０】
ここで、覗き窓部（１３）内における開口端近傍とは、通常、透明板（１２）の内表面から下方に、筒長の１／５の長さ、好適には１／１０の長さ降下した位置までの領域をいう。
【００２１】
また、不活性ガスの噴出機構（１５）は、内空部の中心付近に設けても良いが、覗き窓部からの視界の邪魔になるため、覗き窓部（１３）の内空部の周縁に設けるのが好ましい。ここで、上記周縁とは、通常、周壁の内壁面から、筒の内径の１／５内側、好適には１／８内側の位置までの領域をいう。
【００２２】
不活性ガスの噴出機構（１５）におけるガスの噴出方向は、特に制限されるものではなく、水平方向や斜め上方向等であっても十分に効果的である。透明板（１２）への原料気化ガス等の接触が直接的に防止でき、ガスの噴出量が比較的少量でも大きい効果があげられることから、不活性ガスを、下方向に噴出させるのが特に好ましい。特に、不活性ガスの噴出機構（１５）を、覗き窓部（１３）の内空部の周縁に設ける場合には、内側、特に中心に向かって、斜め下方向に噴出させるのが特に好ましい。この際の具体的な噴射角度は、水平面に対して下方向に３０〜８０度が好ましい。
【００２３】
不活性ガスの噴出機構（１５）におけるガスの噴出構造は、特に制限されるものではなく、覗き窓部（１３）の内壁面に、不活性ガスの噴出口を直接的に開口させるものであっても良い。不活性ガスの噴出機構（１５）を、覗き窓部（１３）の内空部の周縁に設ける場合においては、図２に示されるように、覗き窓部（１３）の壁面を貫通する不活性ガスの供給管（１６）を設け、その先端に、覗き窓部（１３）の内壁面に沿って周設される管材（１７）を連結し、この管材に不活性ガスの噴出口（１８）を開口させる構造が、簡易且つ効率的であり好ましい。
【００２４】
不活性ガスの噴出口（１８）は、少なくとも一個形成すれば良いが、効果をより均一に発揮させるためには、開口端近傍の周縁部において、複数個を周方向に適当な間隔で設けるのが好ましい。一般には０．５〜２ｍｍの口径の噴出口（１８）を少なくとも均等な間隔で５個以上形成して、開口端近傍の内空部を、これら噴出口により環囲するのが好ましい。
【００２５】
供給する不活性ガスとしては、アルゴン、窒素等が適宜に採択できる。その温度は、特に制限されるものではなく、一般には０〜１００℃の範囲から採択できるが、筒内雰囲気の温度を低下させる効果も期待されることから、０〜３０℃が好ましい。
【００２６】
不活性ガスの噴出量は、一般には５０〜１００００ｍｌ／ｍｉｎから採択される。上記したように、不活性ガスを透明板（１２）に直接的に吹き付ける場合には、その噴出量は、５０〜１０００ｍｌ／ｍｉｎでも優れた効果が得られ効率的である。
【００２７】
本発明において、覗き窓部（１３）内の開口端近傍に、不活性ガスの噴出機構（１５）を設ける構成は、前記の覗き窓部（１３）の周壁に冷却器（１４）を設ける構成と併せて実施するのが望ましい。それにより本発明では、透明板（１２）の透視性・透視性低下の防止効果は、両構成の作用が相乗的に作用して、最も顕著になる。
【００２８】
本発明の単結晶引き上げ装置において、溶融ヒーター（５）は、抵抗加熱ヒーターであるのが好ましい。誘導加熱ヒーターの場合、炉内の温度分布が急峻になり易く、高品質の結晶を得る上では、上記抵抗加熱炉が有利である。
【００２９】
覗き窓部（１３）における透明板（１２）の付設、さらにはチャンバー内への引き上げロッド（９）及び支持軸（２）の挿入は、Ｏリングや磁性流体シールなどで気密化されることが好ましい。原料フッ化金属の溶融工程や結晶の育成工程において、これらの部分からリークが発生すると、単結晶の着色や透明度の低下などの品質の著しい低下をもたらす。
【００３０】
坩堝（４）に投入した原料フッ化金属は、溶融させるに先立って減圧下で加熱処理を施して吸着水分を除去するのが好ましく、そのための装置を真空引きするための真空ポンプは、公知のものを用いることができるが、ロータリーポンプと油拡散ポンプ、あるいはロータリーポンプと分子ポンプの組合せが好ましい。
【００３１】
坩堝（４）、支持軸（２）及び受け台（３）等の部材は、通常、黒鉛や金、白金−ロジウム合金、イリジウム等の高融点金属で製作される。他方、溶融ヒータ（５）や断熱壁（６）は、通常、黒鉛、硝子状黒鉛、炭化珪素蒸着黒鉛等で製作される。
【００３２】
本発明の引き上げ装置は、シリコン、ゲルマニウム等の半導体単結晶などの種々の結晶体の製造に際して制限なく使用できる。チャンバー上部にまで、原料の気化ガスが上昇してき易く、本発明の効果が顕著に発揮されることから、フッ化金属類の単結晶体の製造に用いるのが好ましい。ここで、フッ化金属とは、具体的には、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化アルミニウム、ＬｉＣａＡＬＦ６等が挙げられる。このうち特に、フッ化カルシウム単結晶体の製造に適用した場合に最も顕著に効果が発揮される。
【００３３】
引き上げ法の具体的操作方法も、前記した図１の概略図に示されるような基本構造を備えた引き上げ装置を用いて実施されている公知の方法が制限なく実施できる。坩堝に投入する原料フッ化金属は、十分に精製処理、特に水分除去処理を施したものを使用するのが好ましい。かかる原料フッ化物の溶融および単結晶の育成は、不活性ガスの雰囲気下で行うのが好ましい。
【００３４】
単結晶の引き上げは、原料フッ化物の坩堝底部の測定温度において融点〜融点＋１００℃に加熱した条件、例えばフッ化金属がフッ化カルシウムであれば１３８０〜１４８０℃の温度で実施するのが好ましく、該温度への昇温速度は５０〜５００℃／Ｈｒであるのが好ましい。
【００３５】
上記引き上げ法の実施は、残留する水分の影響をなくすため、スカベンジャーの存在下で実施するのが好ましい。スカベンジャーとしては、原料フッ化金属と共に仕込まれる、フッ化亜鉛、フッ化鉛、ポリ四フッ化エチレン等の固体スカベンジャーや、チャンバー内に雰囲気として導入される、四フッ化炭素等の気体スカベンジャーが使用される。
【００３６】
引き上げ法に用いる種結晶は、育成するフッ化金属と同組成の単結晶体を用いるのが好ましい。種結晶体の育成面は任意に選択することができるが、フッ化カルシウムの種結晶を用いる場合は、（１１１）面を好適に用いることができる。結晶の育成中において、これら種結晶は、引き上げ軸を中心として回転させることが好ましく、他方、これに併せて坩堝も、上記種結晶の回転方向と反対方向に回転させるのが好ましい。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明を実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３８】
実施例１
図１及び図２に示される単結晶引き上げ装置を用いて、フッ化カルシウム単結晶体の製造を行った。図１の単結晶引き上げ装置において、覗き窓部（１３）は、開口端が厚さ１０ｍｍでヘイズが０．２％以下のフッ化カルシウムからなる透明板（１２）により閉塞されてなるものであり、その筒内径は８０ｍｍであり、筒長は２００ｍｍのものであった。なお、ヘイズはヘイズメーターＨＧＭ−２ＤＰ（スガ試験機製）を用いＪＩＳ  Ｋ７１３６に準じて測定した。また、冷却器（１４）による冷却域は、覗き窓部（１３）の全筒長の８０％を占める領域に及んで設けられていた。
【００３９】
この覗き窓部（１３）の外周壁の全域を環囲する冷却ジャケット（１４）には、２６℃の水を２Ｌ／ｍｉｎの流量で流した。
【００４０】
チャンバー  （１）において、高純度グラファイト製の坩堝（４）内（外直径４０ｃｍ、内直径３８ｃｍ、高さ３０ｃｍ）に、十分な精製処理及び水分除去処理を施した高純度の原料フッ化カルシウム塊５０ｋｇと、スカベンジャーとして０．１％の高純度フッ化亜鉛を投入し、チャンバー内を真空引きした。次いで、溶融ヒーター（５）に通電し原料の加熱を開始し、約５０℃／ｈｒで２５０℃まで昇温し、この温度に２時間保持した。上記保持後、約１００℃／ｈｒで再び昇温を開始し、６００℃に達した時点で、真空排気ラインを遮断し、高純度アルゴンをチャンバー（１）内に供給し、内圧を１０６．４ＫＰａに保った。
【００４１】
原料が完全に溶融した１４８０℃で４０分間保持した後、ヒータ出力を低下させて１４４０℃で１２０分間保持した後、前記単結晶引き上げロッド（９）を垂下させて、種結晶体（７）の下端面を原料融液（１０）の表面に接触させ、単結晶の育成を開始した。種結晶体（７）は、１５回／分で回転させ、他方、坩堝（４）も、これと逆方向に４回／分で回転させた状態で、引上げ速度２ｍｍ／Ｈｒにて１００時間引き上げを行ったところ、単結晶の育成が行えた。育成終了後、常温まで降温した。
【００４２】
以上により、最大直径が坩堝内径の約６０％である２３ｃｍ、重量は原料の６４％である３２ｋｇのフッ化カルシウム単結晶体が得られた。
【００４３】
この単結晶体の製造過程において、覗き窓部（１３）の透明板（１２）には、僅かしか曇りは生じず、製造後において透明板（１２）のヘイズは２．８％に維持されていた。
【００４４】
比較例１
実施例１において、冷却ジャケット（１４）に冷却水を流さない以外は、実施例１と同様にしてフッ化カルシウム単結晶体の製造を実施した。
【００４５】
この単結晶体の製造過程において、覗き窓部（１３）の透明板（１２）には、相当の曇りが生じ、製造後において透明板（１２）のヘイズは１９％に悪化していた。
【００４６】
実施例２
実施例１において、覗き窓部（１３）の筒長を３００ｍｍに長くする以外は、実施例１と同様にしてフッ化カルシウム単結晶体の製造を実施した。
【００４７】
この単結晶体の製造過程において、覗き窓部（１３）の透明板（１２）には、ほとんど曇りは生じず、製造後において透明板（１２）のヘイズは１．５％に維持されていた。
【００４８】
実施例３
実施例２において、覗き窓部（１３）の不活性ガスの噴出口（１８）から、２５℃のアルゴンガスを５００ｍｌ／ｍｉｎの流量で噴出させた以外は、実施例１と同様にしてフッ化カルシウム単結晶体の製造を実施した。なお、この製造に使用した単結晶引き上げ装置において、円管（１７）の口径は６ｍｍであった。また、この円管（１８）に形成される不活性ガスの噴出口（１８）は、口径０．７ｍｍであり、水平面に対して内側下向き６０度の噴出角度で穿孔されており、周方向に等間隔に１０個形成されたものであった。また、不活性ガスの噴出口（１８）は、透明板（１２）の内表面から下方に、１０ｍｍ降下した位置であって、内壁面から８ｍｍ内側の位置に各設けられたものであった。
【００４９】
この単結晶体の製造過程において、覗き窓部（１３）の透明板（１２）には、全く曇りは生じず、製造後において透明板（１２）のヘイズは０．２％以下に維持されていた。
【００５０】
実施例４
実施例３において、冷却ジャケット（１４）に冷却水を流さない以外は、実施例１と同様にしてフッ化カルシウム単結晶体の製造を実施した。
【００５１】
この単結晶体の製造過程において、覗き窓部（１３）の透明板（１２）には、全く曇りは生じず、製造後において透明板（１２）のヘイズは０．８％に維持されていた。
【００５２】
【発明の効果】
本発明において、〔１〕の単結晶引き上げ装置によれば、覗き窓部の外周壁に冷却器が設けられているため、原料気化ガスや副生物ガスにより透明板が曇ったり、凝結物が固着して、その透明性や透視性が損なわれることが大きく低減できる。
【００５３】
また、〔２〕の単結晶引き上げ装置においても、覗き窓部内の開口端近傍に、不活性ガスの噴出機構を設けられているため、同様に、透明板の透明性等が損なわれる問題が大きく改善できる。
【００５４】
よって、これら本発明によれば、単結晶引き上げ時において、覗き窓部の透明性・透視性が長期間にわたって良好に維持でき、チャンバー内における坩堝内の原料融液の表面状態や、引き上げられる単結晶体の育成状態等を精察しながら、円滑に単結晶体を製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明を適用する単結晶引き上げ装置の代表的態様を示した概略図である。
【図２】図２は、図１の単結晶引き上げ装置における、覗き窓部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１；チャンバー
２；支持軸
３；受け台
４；坩堝
５；溶融ヒーター
６；断熱壁
７；種結晶体
８；保持具
９；単結晶引き上げロッド
１０；原料融液
１１；単結晶体
１２；透明板
１３；覗き窓部
１４；冷却器（冷却ジャケット）
１５；不活性ガスの噴出機構
１６；不活性ガスの供給管
１７；管材
１８；不活性ガスの噴出口
１９；冷媒供給管
２０；冷媒排出管
【図１】
2004217469.tif 000003
【図２】
2004217469.tif 000004