(57)【要約】【課題】  坩堝の底部のコーン部をヒーター面の融点温度位置に置いたとき、コーン部の温度勾配はヒーター面での温度勾配に比べてかなり小さくなる。温度勾配が小さくなると熱外乱によって固液界面の位置が不安定になり、結晶欠陥が生じ易くなる。【解決手段】  坩堝の底面部に軸対称で斜め下方に張り出した複数枚のフィンを設けたことにより、ヒーター面の温度分布を該坩堝の底面部に転写し、該坩堝の底面に沿って温度勾配をつけ、融点位置を種子単結晶から周辺方向へ徐々に移動することができるようになり、坩堝底面部に於いても、直胴部と同様に、固液界面近傍の温度勾配、結晶成長速度を一定に管理するが可能となる。その結果、大口径で高品質の単結晶の製造が可能となる。【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た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ヂマン法による単結晶製造装置に於いて、該坩堝の底面部に軸対称で斜め下方に張り出した複数枚のフィンを配置したことを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】
前記坩堝の底面部の鉛直軸に対する傾斜角をθ、前記フィンの水平面に対する傾斜角をαとしたときα≧θ／２であることを特徴とする請求項１記載の単結晶製造装置。
【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わるもので、特に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育成するための、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）による単結晶製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路の高集積化にともない、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−ンをウェ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、投影レンズの解像力を上げるには、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レーザー（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エキシマレーザー、ＡｒＦエキシマレーザー、Ｆ２レーザー光の波長域では、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、エキシマレーザー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、特にＦ２レーザー露光装置では、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、米国特許２２１４９７６（特許文献１）に示されたように、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４（ａ）に示すような構成になっている。図４（ａ）に於いて、１は炉本体、２は炉本体１内を高温領域１ａと低温領域１ｂに分割する断熱部材、３ａは上ヒーター、３ｂは下ヒーター、４は炉本体１の底を貫通する支持棒、５は支持棒４の上端に取り付けられた坩堝である。この坩堝５の下端に種子単結晶９を置き、その上に原料を入れた後、炉内を真空にして、炉温を上げ原料を熔融する。図４（ｂ）は、炉本体１の上ヒーター３ａ、下ヒーター３ｂの鉛直方向に沿った温度分布を示したグラフである。縦軸は炉本体１の位置を、横軸は温度分布を示している。図４（ｂ）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。結晶成長開始時の坩堝５の位置は、種子単結晶９の上部が溶融する位置である。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、種子単結晶９を起点として下部の方から結晶化させていく。図４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２２１４９７６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら前記した従来の垂直ブリッジマン法では、近年その要求が高まっている大口径の蛍石、例えば直径３００ｍｍ以上の蛍石になると、高品質の単結晶を製造する事が非常の困難であった。特に、結晶化の起点（種子単結晶９）から坩堝５の底面のコーン部５ｂに沿って徐々に結晶面を広げて最大径に至る過程で結晶欠陥が生じ易いという問題があった。
【０００７】
結晶欠陥に影響する重要なパラメータとしては、固液界面近傍の温度勾配Ｇ、結晶成長速度Ｖがあり、高品質の単結晶を得るためにはこれらの値を一定に管理する必要がある。そこで従来、上下ヒーター３ａ，３ｂによりヒーター面に温度勾配をもった温度分布を創り出し、この温度分布を輻射によって坩堝５の壁面に転写することにより一定の温度勾配Ｇを得ていた。また坩堝の引下げ速度を一定に制御して結晶成長速度Ｖを一定に管理していた。
【０００８】
図４から解かるように、坩堝５の直胴部５ａはヒーター面に直面し間隔も小さいのでヒーター面に創り出された温度分布はほぼそのまま直胴部５ａの対向する位置に転写される。したがって、図４のように坩堝の直胴部５ａが融点温度位置にあるときは、温度勾配Ｇと結晶成長速度Ｖを一定に保つことが出来る。
【０００９】
しかし坩堝５の底面コーン部５ｂはヒーター面に直面しておらず、また坩堝の直径が大きくなるとヒーター面との距離も大きくなるため輻射の視界が広がり、コーン部５ｂの外表面上の任意の微小面には広い範囲からの輻射が影響を及ぼし平均化される。したがって、図５のように坩堝のコーン部５ｂをヒーター面の融点温度位置に置いたとき、コーン部５ｂの温度勾配Ｇはヒーター面での温度勾配に比べてかなり小さくなる。温度勾配Ｇが小さくなると熱外乱によって固液界面７の位置が不安定になり、結晶欠陥が生じ易くなる。
【００１０】
本発明の目的は、このような坩堝底面部に於ける温度勾配の減少を無くし、底面に沿って温度勾配を大きくとり、融点位置を種子単結晶９から周辺方向へ徐々に移動して、大口径で高品質の単結晶を製造できる単結晶製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の課題を解決するために、本発明の単結晶製造装置は、坩堝内の原料を溶融した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ヂマン法による単結晶製造装置に於いて、該坩堝の底面部に軸対称で斜め下方に張り出した複数枚のフィンを配置したことを特徴とする。
【００１２】
さらには、前記坩堝の底面部の鉛直軸に対する傾斜角をθ、前記フィンの水平面に対する傾斜角をαとしたときα≧θ／２であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、坩堝の底面部に軸対称で斜め下方に張り出した複数枚のフィンを設けたことにより、ヒーター面の温度分布を該坩堝の底面部に転写し、該坩堝の底面に沿って温度勾配をつけ、融点位置を種子単結晶から周辺方向へ徐々に移動することができるようになり、坩堝底面部に於いても、直胴部と同様に、固液界面近傍の温度勾配、結晶成長速度を一定に管理するが可能となる。その結果、大口径で高品質の単結晶の製造が可能となる。
【００１４】
さらには、前記坩堝の底部内面の鉛直軸に対する傾斜角をθ、前記フィンの水平面に対する傾斜角をαとしたときα≧θ／２とすることにより、ヒーター面からコーン部５ｂに転写される温度勾配を大きくすることができ、より安定した結晶成長が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明によれば、坩堝の底面部に軸対称で斜め下方に張り出した複数枚のフィンを設けたことにより、ヒーター面の温度分布を該坩堝の底面コーン部５ｂに転写し、該坩堝の底面に沿って温度勾配をつけ、融点位置を種子単結晶９から周辺方向へ徐々に移動することができるようになり、坩堝底面のコーン部５ｂに於いても、直胴部５ａと同様に、固液界面近傍の温度勾配Ｇ、結晶成長速度Ｖを一定に管理するが可能となる。その結果、大口径で高品質の単結晶の製造が可能となる。
【００１６】
さらには、前記坩堝の底部内面の鉛直軸に対する傾斜角をθ、前記フィンの水平面に対する傾斜角をαとしたときα≧θ／２とすることにより、ヒーター面からコーン部５ｂに転写される温度勾配を大きくすることができ、より安定した結晶成長が可能となる。
【００１７】
（実施例）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に関わる単結晶製造装置の断面図である。図１（ａ）に於いて、１は炉本体、２は炉本体１内を高温領域１ａと低温領域１ｂに分割する断熱部材、３ａは上ヒーター、３ｂは下ヒーター、４は炉本体１の底を貫通する支持棒、５１は支持棒４の上端に取り付けた坩堝、５１ａは坩堝５１の直胴部、５１ｂは坩堝５１の底面コーン部、５２は底面コーン部５１ｂに取り付けられたフィンである。
【００１８】
図１（ａ）の構成に於いて、結晶は次のようにして育成される。先ず、この坩堝５１の下端に種子単結晶９を置き、その上に原料を入れた後、炉本体１内を真空にして、炉温を上げ原料を熔融する。図１（ｂ）は、炉本体１のヒーター面部の鉛直方向に沿った温度分布を示している。図１（ｂ）は、炉本体１の上ヒーター３ａ、下ヒーター３ｂの鉛直方向に沿った温度分布を示したグラフである。縦軸は炉本体１の位置を、横軸は温度分布を示している。図１（ｂ）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。結晶成長開始時の坩堝５１の位置は、種子単結晶９の上部が溶融する位置である。結晶成長させる時は、０．１〜５ｍｍ／時ぐらいの速度で坩堝５１を高温領域１ａから低温領域１ｂに降下させ、種子単結晶９を起点として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で、坩堝底面のコーン部５ｂに沿って徐々に結晶面が広がり最大径に至る過程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。
【００１９】
図２は、図１（ａ）の坩堝５１の部分の拡大断面図で、符号は図１（ａ）と同じある。以下図２を用いて、ヒーター面部の温度分布がフィン５２の作用でどのようにして坩堝５１の底面コーン部５１ｂに転写されるのか説明する。図２に於いて、Ｂ１はコーン部５１ｂ上のフィン５２の付け根部分、Ｂ２はコーン部５１ｂ上のフィンとフィンの間の部分を示している。Ｆ１はフィン５２の先端部分を示している。またハッチングした面ＨＳは、坩堝５１と対向するヒーター面を表し、Ｈ１はヒーター面ＨＳ上の点部分でＦ１に対向する部分、Ｈ２はヒーター面ＨＳ上の点でＢ２から視界に入る点である。ヒーター面ＨＳと坩堝５１との熱エネルギーの授受は輻射によって行われる。フィン５２の先端部分Ｆ１は、主にＦ１に対向するＨ１の近傍の面との間で輻射エネルギーの授受が行われる。フィンとフィンの間の部分Ｂ２の近傍の面は、フィンによって視界が遮られるため、主に視界に入る点Ｈ２の近傍の面との間で輻射エネルギーの授受が行われる。温度の高い炉内では、輻射エネルギーの授受が行われる２面間の温度差は小さくなる。それは、輻射エネルギーは絶対温度の４乗に比例するため、輻射エネルギーの授受が行われる２面間の等価熱抵抗が該２面の平均絶対温度の３乗に反比例することになり、高温になると該２面間の熱抵抗が微小になるためである。よって、点Ｆ１の温度は点Ｈ１の温度に近い温度になり、点Ｂ２の温度は点Ｈ２の温度に近い温度になる。また、フィンの熱伝導作用により点Ｂ１の温度は点Ｆ１の温度に近い温度になる。
【００２０】
以上説明したようなフィン５２の視界制限作用と熱伝導により、ヒーター面の温度分布がコーン部５１ｂに転写される。実際には、坩堝壁面の熱伝導や、支持棒４からの放熱、フィン５２の最下面からの輻射放熱などの影響を受け、ヒーター面の温度分布がそのままには転写されないが、フィン５２の作用により温度転写の傾向が強まる。
【００２１】
次に、フィン５２の作用によりヒーター面の温度分布がそのままコーン部５１ｂに転写されている理想状態で、コーン部の温度勾配がヒーター面の温度勾配よりも大きくなるための条件を求める。図３は、ヒーター面の温度勾配と、坩堝底部の温度勾配との関係を示すための断面図で、符号は図１、図２と同じある。図３に於いて、θは坩堝の底面コーン部５１ｂの鉛直軸に対する傾斜角、αはフィン５２の水平面に対する傾斜角、βはフィン５２の鉛直軸に対する傾斜角（α＋β＝π／２）、Ａはフィンの根元の点、Ｂはフィンの先端の点、Ｃは直胴部５１ａとコーン部５１ｂが交わる点である。理想状態では線分ＢＣに対向するヒーター面の温度が線分ＡＣ上に転写される。このような理想状態で、
（コーン部の温度勾配）≧（ヒーター面の温度勾配）
となるのはＡＣ≦ＢＣのときである。
【００２２】
三角形ＡＢＣを考えると、ＡＣ≦ＢＣとなるための条件は∠Ａ≧∠Ｂである。
∠Ａ＝π−θ−β      ∠Ｂ＝β      α＋β＝π／２
であるから、∠Ａ≧∠Ｂとなるための条件はα≧θ／２である。
【００２３】
よって、理想状態ではα≧θ／２のとき
（コーン部の温度勾配）≧（ヒーター面の温度勾配）
となる。
【００２４】
以上のようにして、フィン５２の作用によりヒーター面の温度分布が坩堝５１の底面コーン部５１ｂに転写される。そして、坩堝５１の底面に沿って温度勾配をつけ、坩堝５１を引き下げることにより融点位置を種子単結晶９から周辺方向へ徐々に移動することができるようになり、坩堝底面のコーン部５ｂに於いても、直胴部５ａと同様に、固液界面近傍の温度勾配Ｇ、結晶成長速度Ｖを一定に管理するが可能となる。その結果、大口径で高品質の単結晶の製造が可能となる。
【００２５】
さらには、坩堝５１の底部内面の鉛直軸に対する傾斜角をθ、前記フィン５２の水平面に対する傾斜角をαとしたときα≧θ／２とすることにより、ヒーター面からコーン部５１ｂに転写される温度勾配を大きくすることができ、より安定した結晶成長が可能となる。
【００２６】
尚、フィン５２の水平面に対する傾斜角αは一定である必要は無く、上段と下段で傾斜角を違えても良い。傾斜角を変えることにより温度勾配を変化させることが出来る。
【００２７】
また、フィン５２の熱伝導率は坩堝５１の熱伝導率よりも大きくすることが望ましい。フィン５２の熱伝導を大きくし、坩堝５１の熱伝導を小さくすることにより、坩堝底面部の温度勾配の減少を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に関わる単結晶製造装置の断面図である。
【図２】図１の坩堝５１の部分の拡大断面図である。
【図３】ヒーター面の温度勾配と、坩堝底部の温度勾配との関係を示す断面図。
【図４】従来の単結晶製造装置の断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  炉本体
１ａ  高温領域
１ｂ  低温領域
２  断熱部材
３ａ  上ヒーター
３ｂ  下ヒーター
４  支持棒
５  坩堝
５ａ  直胴部
５ｂ  コーン部
６  融液
７  固液界面
８  結晶
９  種子単結晶
５１  坩堝
５１ａ  直胴部
５１ｂ  コーン部
５２  フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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