(57)【要約】【課題】単結晶育成に使用する結晶製造装置において、結晶欠陥の導入を抑制しつつ良好に単結晶を育成可能な結晶製造装置およびそれを用いた結晶製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】坩堝を略囲んで配置される加熱手段と、該加熱手段を略囲んで配置される熱反射手段とを備え、坩堝内で原料を溶融し凝固させる結晶製造装置において、該加熱手段と該熱反射手段間の距離を調整可能とし、また該熱反射手段の熱伝導度を調整可能とすることで結晶を育成する坩堝内の温度勾配を調整する。【選択図】　　　図１
2004010461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
坩堝を略囲んで配置される加熱手段と、該加熱手段を略囲んで配置される熱反射手段とを備え、坩堝内で原料を溶融し凝固させる結晶製造装置において、
該加熱手段と該熱反射手段間の距離を調整可能としたことを特徴とする結晶製造装置。
【請求項２】
該加熱手段と該熱反射手段間の距離の調整は該熱反射手段の移動機構により行うことを特徴とする請求項１に記載の結晶製造装置。
【請求項３】
該加熱手段と該熱反射手段間の距離の調整は大きさの異なる該熱反射手段に交換することで行うことを特徴とする請求項１に記載の結晶製造装置。
【請求項４】
坩堝を略囲んで配置される加熱手段と、該加熱手段を略囲んで配置される熱反射手段とを備え、坩堝内で原料を溶融し凝固させる結晶製造装置において、
該熱反射手段の熱伝導度を調整可能としたことを特徴とする結晶製造装置。
【請求項５】
該熱反射手段の熱伝導度の調整は異なる熱伝導度を有する熱反射手段に交換することで行うことを特徴とする請求項４に記載の結晶製造装置。
【請求項６】
該加熱手段が複数の加熱手段からなることを特徴とする請求項１乃至５に記載の結晶製造装置。
【請求項７】
坩堝を略囲んで配置される複数の加熱手段と、該加熱手段を略囲んで配置される熱反射手段とを備え、坩堝内で原料を溶融し凝固させる結晶製造装置において、
該熱反射手段は熱伝導度の異なる複数の熱反射手段を積層してなることを特徴とする結晶製造装置。
【請求項８】
育成する結晶がフッ化物結晶であることを特徴とする請求項１乃至７に記載の結晶製造装置。
【請求項９】
育成する結晶がフッ化カルシウムであることを特徴とする請求項１乃至７に記載の結晶製造装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９に記載の結晶製造装置を用いて単結晶を製造することを特徴とする結晶製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高温で溶融し凝固して製造される結晶性材料の製造装置およびそれを用いた結晶製造方法に関する。
【０００２】
また本発明は、真空紫外域から遠赤外域までの広い波長範囲において用いられる各種光学素子、レンズ、窓材、プリズム等に好適な弗化物結晶の製造装置およびそれを用いた結晶製造方法に関し、特にエキシマレーザを用いたフォトリソグラフィー用の露光装置に用いられる光学素子の材料となる弗化カルシウム（ＣａＦ２）結晶の製造方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
単結晶の結晶材料の製造においては、高温で原料となる多結晶材料を溶融し、その後に溶融体の内部に温度勾配を設けるなどの方法で種結晶上に結晶成長させる方法が多く用いられる。代表的な製造方法には、温度分布のある炉内を坩堝が移動することで固化させる垂直ブリッジマン法（ＶＢ法、米国特許第２，１４９，０７６及び２，２１４，９７６を参照）がある。ＶＢ法に用いる結晶製造装置においては、原料を装填した坩堝を炉体内に設置し、その周囲に環状の発熱体を縦方向に配置して、上部では育成する結晶の融点より高温に、下部ではその融点より低温に炉体内の温度を制御している。ＶＢ法ではこの温度分布を利用して、炉体内の上部で坩堝内の原料を溶融し、次いで所定の速度で坩堝を炉体下部に引下げる過程において、融点近辺の温度域を通過する際に種結晶又は育成された単結晶の表面に結晶方位を保存しつつ融液内から順次析出が生じることで単結晶が育成される。
【０００４】
この際、炉体内の温度勾配を上部ほど高温になるように単調に制御することで、すでに育成した単結晶表面にのみ析出が生じ、それ以外の場所への析出が抑制されている。しかし、実際にはいわゆる組成的過冷却の効果により、単結晶表面から一定距離の位置において融液が凝固しやすい状況となり、この位置で凝固が生じた場合には育成した結晶が多結晶となってしまう。
【０００５】
このような組成的過冷却による多結晶体の生成を抑制するためには、一般的には析出が生じる単結晶の成長面付近での温度勾配を大きくすることが有効であることが知られている。例えば特開平１０−２５１０９７号広報に開示された発明では、坩堝の周囲の上下方向の熱の移動を遮断する熱遮断板を設けることで結晶成長位置の上下の温度に明確な差を設けて、以って結晶成長位置での温度勾配を大きくして組成的過冷却による多結晶化を抑制している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような組成的過冷却による多結晶体の生成を抑制するために結晶成長位置の温度勾配を大きくする操作は、育成された結晶の品質を劣化させる場合がある。
【０００７】
以下、弗化カルシウムを例にして、高い温度勾配に起因する問題点について説明する。
【０００８】
弗化カルシウムは、短波長光の透過率が高く、半導体集積回路の高集積化に伴う超微細パターン形成に不可欠なＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）、Ｆ２エキシマレーザ（波長１５７ｎｍ）等のエキシマレーザ光による露光装置の光学系用に有力な材料と考えられている。この際、多結晶体を用いた場合には露光装置の光学系を構成する各レンズに必要とされる面精度を確保するのが困難になる。更に、結晶界面に不純物が偏析しやすく、屈折率の均一性を損ねたり、レンズの耐久性に問題が生じたりするために、エキシマレーザ露光装置の投影レンズとして、大口径の単結晶弗化カルシウムが望まれており、上述のＶＢ法などにより育成されている。
【０００９】
弗化カルシウムの単結晶の育成の際にも、上記と同様に組成的過冷却により育成した結晶が多結晶となってしまう問題が生じるため、その結晶成長面付近に一定の温度勾配を付加することが必要である。
【００１０】
しかし、急激な温度変化を受けた弗化カルシウム結晶はその際に発生する結晶欠陥に起因して複屈折が大きくなってしまい、光学的な観点からは品質が低下することが、例えば特開平１１−２４０７８７にも開示されている。この現象は他の弗化物結晶においても同様であり、特に融点直下の高温の温度域においては比較的小さな温度変化によっても容易に複屈折が増加することが知られている。更に急激な温度変化を受けた結晶は脆くなり、その後の取り扱いに支障を生じる。このため、必要以上の温度勾配を結晶成長面に付加することは育成した単結晶の品質を低下することとなり、付加する温度勾配を適切に調整することが望まれる。
【００１１】
しかしながら、組成的過冷却の影響によらず単結晶を育成可能であり、且つ育成後の結晶の品質の劣化を最小限にする最適の温度勾配は育成する結晶の材質や大きさに依存する一方、通常は単結晶育成に使用する結晶製造装置が固有の温度勾配を有するため、結晶成長面付近の温度勾配が必ずしも育成する結晶の目的に応じた最適の大きさとはなっていない。
【００１２】
更に、結晶育成中に平行して育成原料の高純度化や育成した結晶の徐冷などを育成炉内で行う場合には、それらを行う個所には結晶育成とは異なる温度分布を付加することが適当であり、その調整法が望まれる。
【００１３】
本発明は、単結晶育成に使用する結晶製造装置において結晶を育成する坩堝内に生じる温度勾配を調整する手段を設けることで、以って結晶欠陥の導入を抑制しつつ良好に単結晶を育成可能な結晶製造装置およびそれを用いた結晶製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
更に本発明は、特に弗化物結晶の単結晶育成に使用する結晶製造装置において結晶を育成する坩堝内に生じる温度勾配を調整する手段を設けることで、複屈折率を最小限に抑制した良質の単結晶を安定して育成可能な結晶製造装置およびそれを用いた結晶製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明においては、坩堝を囲んで配置される加熱手段の周囲に熱反射手段を配置し、その加熱手段と熱反射手段の距離、又はその熱反射手段の熱伝導度を調整することにより、熱反射手段から反射される熱の流れを調整し、以って結晶成長位置付近の温度勾配を最適に調整できることとした。
【００１６】
以上の手段として、第一の請求項に係る発明は、坩堝を略囲んで配置される加熱手段と、該加熱手段を略囲んで配置される熱反射手段とを備え、坩堝内で原料を溶融し凝固させる結晶製造装置において、該加熱手段と該熱反射手段間の距離を調整可能としたことを特徴とする結晶製造装置に係る発明である。
【００１７】
この発明により、温度勾配を大きくする場合には加熱手段と熱反射手段を近づけ、また温度勾配を小さくする場合には加熱手段と熱反射手段を遠ざけることで、坩堝内の結晶成長位置付近の温度勾配を調整可能となる。
【００１８】
第四の請求項に係る発明は、坩堝を略囲んで配置される加熱手段と、該加熱手段を略囲んで配置される熱反射手段とを備え、坩堝内で原料を溶融し凝固させる結晶製造装置において、該熱反射手段の熱伝導度を調整可能としたことを特徴とする結晶製造装置に係る発明である。
【００１９】
この発明により、温度勾配を大きくする場合には熱反射手段に熱伝導の低い材質を用い、また温度勾配を小さくする場合には熱反射手段に熱伝導の高い材質を用いることで、坩堝内の結晶成長位置付近の温度勾配を調整可能となる。
【００２０】
第七の請求項に係る発明は、坩堝を略囲んで配置される複数の加熱手段と、該加熱手段を略囲んで配置される熱反射手段とを備え、坩堝内で原料を溶融し凝固させる結晶製造装置において、異なる熱伝導度を有する複数の該熱反射手段を有することを特徴とする結晶製造装置に係る発明である。
【００２１】
この発明により、複数設置される加熱手段間に生じる温度勾配をその背面に設置される熱反射手段により各々調整し、育成炉内に結晶の育成に更に適した温度分布を作ることが可能となる。
【００２２】
第十の請求項に係る発明は、請求項１乃至９に記載の結晶製造装置を用いて単結晶を製造することを特徴とする結晶製造方法に係る発明である。
【００２３】
この発明により、坩堝内の結晶成長位置付近の温度勾配を調整することにより、多結晶となることを抑制しつつ育成した単結晶内部に生じる熱応力を最小限に抑制可能であり、弗化物単結晶等であっても高品質な単結晶が育成可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る、坩堝を囲んで配置される加熱手段と、更にその加熱手段を囲んで配置される熱反射手段とを備える結晶製造装置において引下げ法により結晶を育成する場合において、加熱手段と熱反射手段間の距離を調整することにより坩堝内の結晶成長に与える影響について以下に説明する。
【００２５】
図４は、熱反射手段である熱反射板として熱伝導性の低い断熱材を加熱手段であるヒータに近づけて設置した場合を示す模式図である。図４は特に坩堝内の結晶成長位置の上下にそれぞれ坩堝内の溶融液の温度を保つための加熱手段であるヒータ２１と育成した単結晶の温度を保つための加熱手段であるヒータ２２を配置した場合を示す。
【００２６】
図４において坩堝内の結晶成長位置の上側の溶融液部２５では、溶融状態に保つために育成する結晶の融点温度以上に保持する必要があると共に、溶融液の過熱による被溶融物の蒸発による損失や分解を防ぐために一定の温度以下に保持される必要がある。このため、溶融液側に配置されたヒータ２１は一般に融点温度から３０〜１５０℃程度高い温度に設定され、その加熱効果により坩堝内の融液は融点温度よりも高い温度３１をほぼ均一に有するように保持される。
【００２７】
結晶成長位置の下側の育成された単結晶部２６には、必要に応じて育成された結晶の温度を保つためにヒータ２２が配置される。単結晶部２６では、育成された結晶内の温度分布がアニール効果による結晶欠陥の減少と熱応力による結晶欠陥の導入とに大きく影響するため、育成する結晶の使用目的などに応じて結晶の融点温度３０以下の温度である温度にヒータ２２により温度が保持される。図４において、育成された結晶はヒータ２２により融点温度より２０〜１００℃程度低い温度３２にほぼ均一に制御されている。
【００２８】
これらの温度設定の結果、結晶成長位置である融点温度３０の周囲に温度分布３３ａが形成される。
【００２９】
上述のように、組成的過冷却などが単結晶育成に及ぼす影響の抑制や育成した結晶の品質の保持には結晶成長位置付近の温度勾配の大きさが重要な因子であるが、その調整は、上記に説明した影響を考慮して坩堝内に形成された融液の温度３１と結晶の温度３２の間の温度遷移領域の幅を調整することで行われる。つまり、温度遷移領域を広くすれば温度勾配を小さくし、同領域を狭くすれば温度勾配を大きくすることが可能である。
【００３０】
温度遷移領域の幅の調整は、直接的にはヒータ２１とヒータ２２の配置の間隔の調整によっても決定可能である。しかし、その広げられた間隔の部分は積極的に温度制御の出来ない領域となり、温度安定性の観点で必ずしも望ましくない。これに対し本発明は、ヒータの外側に設けた熱反射板の位置や熱伝導度を調節することで熱反射板表面の温度分布を調整し、その熱反射板から輻射される熱を介して複数のヒータ間の熱的な結合度を調整することでヒータ端部の温度差を緩和することにより、またその熱反射板からの輻射熱を利用して坩堝を過熱することにより、坩堝内に温度勾配を生じる幅を調整し、以って結晶成長位置付近の温度勾配の大きさを安定的に調整する手段を提供する。
【００３１】
本発明による温度分布の調整の機構について、図４と図５を用いて更に詳しく説明する。
【００３２】
図４に示すようなヒータ２１，２２に近づけて熱反射板１４ａである断熱材を配置した場合、例えばヒータ２１の裏面から輻射される熱は拡散しないままに高い密度で正対する部分の熱反射板のみを加熱し、その部分のみが高温になる。そして高温となった部分の熱反射板から輻射される熱の大半は再び正対するヒータ２１に入射することになり、結果としてヒータ２１の裏面から周囲への熱輻射が抑制される。ヒータ２２についても同様であり、その結果熱反射板１４ａを介したヒータ２１とヒータ２２の熱交換は小さくなる。この効果は熱伝導性の低い断熱材をヒータ裏面に密着させた場合に最も大きくなり、ヒータ２１とヒータ２２間の熱交換は両者が正対する面からの熱輻射に限定され、事実上熱的に独立させることが出来る。この結果、坩堝内に形成される温度分布３３ａは比較的急峻な温度勾配を持つようになる。
【００３３】
一方、図５に示すようなヒータ２１とヒータ２２から遠ざけて熱反射板１４ｂである断熱材を配置した場合、例えばヒータ２１の裏面から輻射される熱は拡散して熱反射板の正対する部分よりも広い範囲を過熱することとなり、熱反射板１４ｂの表面に図４の場合よりも緩和された温度分布を作る。ヒータ２２についても同様であり、図４の場合よりも広い範囲の熱反射板を加熱する。この結果、特にヒータ２１とヒータ２２の境界付近に正対する領域の熱反射板は図４よりも勾配の小さい温度分布を生じ、この部分からの輻射をヒータ２１とヒータ２２が受けることで、結果的にヒータ２１とヒータ２２との間で熱反射板を介した熱交換が生じてヒータ２１とヒータ２２の隣接する端部の温度差が緩和され、この結果、坩堝内に形成される温度分布３３ｂは図４の場合よりも緩和されたものになる。
【００３４】
以上のようにヒータと断熱材からなる熱反射板の距離を変更することにより隣接するヒータ間の熱交換の程度を調整し、その端部の温度差を緩和する程度を調整することが可能であり、結果的にはヒータ２１とヒータ２２により坩堝内に形成される温度分布３３ａ、３３ｂを調整することが可能である。
【００３５】
本発明に係る第二の機構による温度分布の調整について、図４と図６を用いて説明する。
【００３６】
図６は、図４の場合よりも高い熱伝導度を有する熱反射板２４ｃをヒータに近づけて設置した場合を示す模式図である。図６においてはヒータ２１およびヒータ２２からの輻射熱が図４と同様に熱反射板１４ｃに入射するが、図４の場合と比較して熱反射板１４ｃの熱伝導度が高いため熱反射板１４ｃ内の温度分布が緩和される。この状態の熱反射板１４ｃからの熱輻射がヒータ２１とヒータ２２に入射するため、図４と同様にヒータに近づけて熱反射板を設置したにも関わらず、結果としてヒータ２１とヒータ２２の間で熱交換が生じてヒータ２１とヒータ２２の隣接する端部の温度差が緩和され、結果的に坩堝内に形成される温度分布３３ｃは図４の場合よりも緩和されたものになる。
【００３７】
以上のように熱反射板として適切な熱伝導度を有する材質を用いることにより隣接するヒータ間の熱交換の程度を調整し、その端部の温度差を緩和する程度を調整することが可能であり、結果的にはヒータ２１とヒータ２２により坩堝内に形成される温度勾配３３ａ、３３ｃを調整することが可能である。
【００３８】
尚、上記説明においては、温度の異なるヒータ間の温度勾配の調整をその背後に設置される熱反射板の位置や熱伝導度の調整で行う場合について説明したが、ヒータとヒータが設置されない個所の間の温度勾配を調整する手段としても本発明が適用可能である。この際には、ヒータ背面に設置する熱反射板の位置や熱伝導度の調整により熱反射板表面に形成される温度分布を調整し、以って熱反射板から直接坩堝に輻射される熱の広がりを制御することで坩堝に生じる温度勾配を所望のものとする。
【００３９】
（実施例１）
［装置の構成］
本発明の一実施例として図１に基づいて説明する。
【００４０】
図１は、本発明の第１の実施例に係る結晶製造装置の模式図であって、弗化カルシウムの単結晶を育成する際の構成を示している。
【００４１】
この装置においては、真空排気手段１０により略真空に保持可能な炉室８の内部に結晶を育成するためのグラファイト製の坩堝４が設置され、その周囲に配置された加熱手段であるグラファイト製の側面ヒータ３と、更にその周囲に熱反射手段である熱反射板１３ａが配置される。坩堝４は炉室外部から挿入された坩堝支持棒６により保持され、回転と上下の移動１１が可能となっている。本実施例では、側面ヒータ３は上下の二段からなり、上段が融液５ａの温度を保持するために育成する結晶の融点以上の温度に、また下段は育成した結晶５ｂの保持に適した温度に設定されており、更に上下のヒータの中間付近において坩堝内が育成する結晶の融点温度になるように調整されている。更に、この図には示されていないが、上ヒータと下ヒータの間に、温度差を更に大きくするための断熱部材を設けても良い。ヒータの温度制御は、各ヒータの中程の外側の側面に設置した熱電対１２により各ヒータの温度を代表して行う。各ヒータ内の温度分布は、その内部の電流の分布を制御することによりほぼ均一な温度分布を持つように熱的な設計がなされているが、外部との熱の出入りにより一定の範囲で変化する。単結晶の育成はこのような温度分布を維持したまま順次坩堝を引下げることで、融点温度付近である個所で、育成した単結晶の表面にさらに融液を析出させることで全体が単結晶となるように行う。
【００４２】
弗化カルシウム単結晶の育成においては、坩堝の降下速度は、炉構造にも依存するが、１時間あたり０．１ｍｍ〜５ｍｍが好ましい。また、ヒータの温度ムラが結晶成長に影響しないよう、坩堝を１ｒｐｈ以上で回転することが望ましい。また、育成中は炉室８の内部は１０−３〜１０−４Ｐａ程度の真空に保つことが望ましい。また、１０−４Ｐａ以下の圧力に保持することが更に望ましい。
【００４３】
本実施例では、比較的大きな温度勾配を結晶の育成位置付近に付加するため、熱反射板１３ａとして熱伝導度が低い断熱材が望ましく、多孔質のグラファイトを使用している。この多孔質グラファイトは０．３Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導度は持つものを用いている。ヒータ３に電力を供給するための電極７とヒータ３の温度制御に用いる熱電対１２は、熱反射板１３ａに貫通穴を設けて設置する。この貫通穴は、ここからの熱の逃げを抑えるため、電極等と短絡しない範囲で極力小さなものが望ましい。加熱用のヒータ３に電力を供給するための電極７を熱反射板の外側に設置することで、熱反射板の設置位置の自由度を確保すると共に、電極７が作る影の影響で温度分布が乱れることを防いでいる。
【００４４】
［操作］
図３は、本実施例で使用した図１に示す結晶製造装置において、本発明にかかるヒータと熱反射板の距離を変えたことによる二段のヒータ３の隙間に正対する部分の坩堝側面での最大温度勾配の変化の一例を示す。この際のヒータの内径は３８０ｍｍであり、また坩堝４の外形は３５０ｍｍとしている。図３に示されるように、ヒータ３と熱反射板１３の間隔を１００ｍｍから５０ｍｍに近づけることにより、坩堝側面の温度勾配が４．２℃／ｃｍから５．１℃／ｃｍに変化し、本発明に係る手段により坩堝に形成される温度の勾配を制御できることが確認された。この際、ヒータ３と熱反射板１３ａの間隔の調整は、熱反射板の移動調整機構１４により行った。また、段階的に大きさを変えた熱反射板に交換することでヒータ３と熱反射板１３ａの間隔を調整しても同様の効果が得られる。更に両方を併用しても同様の効果が得られる。本実施例に用いた結晶製造装置では、ヒータ３と熱反射板１３ａの間隔を１００ｍｍから５０ｍｍに短縮することで、単結晶を育成可能な歩留まりが１．７倍程度に向上した。一方、更に間隔を小さくしても歩留まりの向上が見られないため、育成した単結晶ないの熱応力の低減のためにこの結晶製造装置において弗化カルシウムの単結晶育成を行う際にはヒータ３と熱反射板１３ａの間隔を５０ｍｍとしている。尚、この間隔は、使用した装置や育成する結晶の材質や大きさにより変化するものであり、本発明に係る加熱手段と熱反射板の間隔の調整の実施形態を限定するものではない。
【００４５】
ヒータと坩堝の距離に関して、近づけた場合に坩堝内の温度分布がよりヒータ３の温度を反映するようになるので、特に温度勾配を大きくする場合にはヒータ３と坩堝４の間隔は小さいほうが望ましい。しかし、ヒータ３と坩堝４の間隔を小さくし過ぎると、実際には坩堝とヒータの寸法精度や設置の際の位置精度の問題により、結晶育成中の坩堝の回転と上下移動１１の際に両者の干渉を生じたり坩堝内での水平面内の温度分布の不均一を拡大するため、本実施例では１５ｍｍの間隔としている。
【００４６】
育成する弗化物結晶の長さは通常は１００〜３００ｍｍ程度であり、１００〜５００時間程度の育成時間で単結晶を育成する。続いて、結晶成長した弗化物結晶をアニール炉で熱処理し、育成中に結晶中に残留した熱応力を緩和させる。その後は、必要とされる光学物品の形状に成形する。こうして得られたレンズを各種組み合わせれば、エキシマレーザ、特にＡｒＦエキシマレーザ、Ｆ２エキシマレーザに適した投影光学系、照明光学系を構成できる。そして、エキシマレーザ光源と、本発明の製造方法により得られた弗化カルシウム結晶からなるレンズを有する光学系と、基板を移動させ得るステージとを組み合わせて、フォトリソグラフィー用の露光装置を構成できる。
【００４７】
（実施例２）
本発明の他の実施例として図２に基づいて説明する。
【００４８】
図２は、本発明の第２の実施例に関わる結晶製造装置の模式図であって、図１に示した結晶製造装置に対して、加熱手段であるグラファイト製のヒータ３を縦方向に４段設けた結晶製造装置を示す。図２においては、ヒータ３を４段に分割することで、融液内と育成した結晶内のそれぞれの温度分布を更に精密に制御可能としている。ヒータ３以外の構成は図１と同様である。
【００４９】
図２において４段設けられたそれぞれのヒータの温度制御は、各ヒータの中程の外側の側面に設置した熱電対１２により各ヒータの温度を代表して行う。各ヒータ内の温度分布は、その内部の電流の分布を制御することによりほぼ均一な温度分布を持つように熱的な設計がなされているが、外部との熱の出入りにより一定の範囲で変化する。
【００５０】
図２に示したヒータの内、上二段は共に結晶育成の原料を溶融状態に保つために原料の融点温度以上の温度に設定され、二段目のヒータは実施例１の場合と同様に結晶育成を良好に行うことを主眼として温度設定がされる。一方、最上段のヒータは、結晶育成のプロセスの要求を満たすために主に二段目のヒータより更に高温に設定して使用する場合が多い。
【００５１】
典型的な最上段のヒータの使用法として、結晶育成時に融液内に存在する不純物を除去するためのスカベンジャーを使用した場合について弗化カルシウムの場合を例にして説明する。
【００５２】
弗化カルシウムの結晶を育成する際に、融液内に混入した酸化カルシウム（ＣａＯ）を除去するために微量の弗化亜鉛（ＺｎＦ２）を添加して以下の反応を生じさせ、結果的に弗化カルシウムを高純度化する。
【００５３】
［化学式１］ＣａＯ＋ＺｎＦ２　→　ＣａＦ２＋ＺｎＯ
［化学式２］ＺｎＯ＋Ｃ（グラファイト坩堝）→Ｚｎ（ガス化）＋ＣＯ（又はＣＯ２）
この反応は高温で効率よく進展するため、最上段のヒータを用いて、結晶育成に影響のない範囲で坩堝上部を高温に保ち、弗化カルシウム融液の純度を高めながら結晶育成をすることが出来る。同様のスカベンジ反応プロセスは一般の結晶成長にも用いられ、その場合にも最上段のヒータによる高温の保持が有効である。更に、スカベンジャーや反応生成物が揮発除去されず、融液上部に溶融スラグとして残留する場合にも坩堝上部を高温に保つことはその活性度を保つために有効である。
【００５４】
図２に示した下側二段のヒータは、育成した単結晶の温度を保ち熱応力による品質劣化や割れの発生を防止するために使用される。図２に示すように複数のヒータを用いる場合、育成した結晶内の熱応力を一定以下に保てる範囲内で下段ほど設定温度を低くし、結晶育成のための引下げに伴って育成した結晶が徐々に冷却されるように用いることが有効である。
【００５５】
以上のように、融液部５ａと結晶部５ｂに対応して複数のヒータを用いる場合、融液内や結晶内で各ヒータ間の間隔の部分で大きな温度勾配を有することは望ましくない。このような場合には、図２に示すように温度勾配を小さくしたいヒータの背面に比較的熱伝導の良い熱反射板１３ｂを用いることで、ヒータ間の熱交換を促進して各ヒータ端部の温度差を小さくすることが有効である。図２においては、最上段／二段目間、三段目／最下段間の周囲の熱反射板１３ｂを熱反射板１３ａよりも熱伝導度の高い高密度のグラファイト部材にすることで、一定の温度差が必要であり断熱材を熱反射板１３ａに用いた二段目／三段目間よりも温度の勾配を小さくしている。また、図２においては、同一の内径であって熱伝導率の異なる二種類の熱反射板１３ａと熱反射板１３ｂを積層したものを、育成炉の底部に設けた位置合わせ機構１５によりヒータ３との距離を一定に調整して設置している。
【００５６】
図２で用いた熱反射板１３ｂは５０Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導度を有しており、この結果、最上段／二段目間、三段目／最下段間では１．２℃／ｃｍ程度の温度勾配が作られている。尚、これらの熱反射板の材質やその熱伝導度、またその結果として生じる温度勾配は育成する結晶や温度制御の目的により変化するものであり、本発明の実施形態を限定するものではない。
【００５７】
複数の種類の熱伝導度を持つ熱反射板を用いる以外に、実施例１と同様に同一の熱伝導度を持つ熱反射板を用いて、場所によりヒータと熱反射板の距離を変えることによっても同様の効果を得ることが可能である。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、単結晶育成に使用する結晶製造装置において育成する結晶内に生じる温度勾配を調整する手段を設けることで、以って結晶欠陥の導入を抑制しつつ良好に単結晶を育成可能な結晶製造装置およびそれを用いた結晶製造方法を提供することが可能となる。
【００５９】
また本発明によれば、特に弗化物結晶の単結晶育成に使用する結晶製造装置において育成する結晶内に生じる温度勾配を調整する手段を設けることで、複屈折率を最小限に抑制した良質の単結晶を安定して育成可能な結晶製造装置およびそれを用いた結晶製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る結晶製造装置の模式図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る結晶製造装置の模式図である。
【図３】本発明に係るヒ−タと熱反射板の距離と坩堝表面での温度勾配の関係を示す図である。
【図４】本発明に係る熱反射板として断熱材をヒータに近づけて設置した場合を示す模式図である。
【図５】本発明に係る熱反射板として断熱材をヒータから遠ざけて設置した場合を示す模式図である。
【図６】本発明に係る熱反射板として熱伝導体をヒータに近づけて設置した場合を示す模式図である。
【符号の説明】
１　結晶育成炉の筐体
２　筐体保護用の断熱材
３　ヒータ
４　結晶育成用の坩堝
５ａ　坩堝内の溶融部
５ｂ　坩堝内で育成した単結晶
６　坩堝の支持棒
７　ヒータ給電用の電極
８　炉室
９　冷却水
１０　真空排気手段
１１　坩堝の回転と上下動作
１２　ヒータ制御用の熱電対
１３ａ　熱反射板（断熱材製）
１３ｂ　熱反射板（熱伝導材製）
１４　熱反射板の移動調整機構
１５　熱反射板の位置合わせ機構
２１　高温側用ヒータ
２２　低温側用ヒータ
２３　坩堝壁
２４ａ　熱反射板（断熱材）とその内部の温度分布の等温線（ヒータと熱反射板を近づけた場合）
２４ｂ　熱反射板（断熱材）とその内部の温度分布の等温線（ヒータと熱反射板を遠ざけた場合）
２４ｃ　熱反射板（熱伝導材）とその内部の温度分布の等温線（ヒータと熱反射板を近づけた場合）
２５　坩堝内の溶融液部
２６　坩堝内で育成した単結晶部
２７　結晶成長位置
２８ａ　高温側用ヒータ裏面からの熱輻射（ヒータと熱反射板を近づけた場合）
２８ｂ　高温側用ヒータ裏面からの熱輻射（ヒータと熱反射板を遠ざけた場合）
２９ａ　低温側用ヒータ裏面からの熱輻射（ヒータと熱反射板を近づけた場合）
２９ｂ　低温側用ヒータ裏面からの熱輻射（ヒータと熱反射板を遠ざけた場合）
３０　育成する結晶の凝固温度を示す線
３１　溶融液を保持する温度を示す線
３２　育成した結晶を保持する温度を示す線
３３ａ　坩堝内の高さ方向に形成される温度分布（ヒータと熱反射板を近づけた場合）
３３ｂ　坩堝内の高さ方向に形成される温度分布（ヒータと熱反射板を遠ざけた場合）
３３ｃ　坩堝内の高さ方向に形成される温度分布（熱反射板に熱伝導体を用いた場合）
【図１】
2004010461.tif 000003
【図２】
2004010461.tif 000004
【図３】
2004010461.tif 000005
【図４】
2004010461.tif 000006
【図５】
2004010461.tif 000007
【図６】
2004010461.tif 000008