(57)【要約】【課題】  垂直ブリッジマン法による単結晶製造方法において、坩堝の下部では坩堝の壁面温度が融液温度より低く、上部では坩堝及び壁面温度が融液温度より高くなるため、坩堝の内部で融液の対流がおき、固液界面近傍の温度を擾乱し、結晶の品質を悪化させたり、バウンダリーを発生させたりする要因になっている。【解決手段】  炉の内部に配置され、コニカル部分とコニカル部の上部に位置する直胴部分からなり単結晶材料を保持する坩堝と、坩堝の内部に坩堝に対して上下動可能に配置されている平板部材と、坩堝を該炉に対して上下動させる支持部材とを有し、坩堝の降下に伴い平板部材は、固液界面がコニカル部分を掃引している間は直胴部とコニカル部との境界位置に配置され、固液界面が直胴部分を掃引している間は坩堝の降下にかかわらず固液界面よりも所定の距離上方に配置する単結晶製造方法を提供する。【選択図】  図１
2005231978.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直ブリッジマン法による単結晶製造方法において、炉の内部に配置され、コニカル部と該コニカル部の上部に位置する直胴部からなり単結晶材料を保持する坩堝と、該坩堝の内部に該坩堝と相対的に上下動可能に配置されている平板部材と、該坩堝を該炉に対して相対的に上下動させる支持部材とを有し、該坩堝の該炉に対する相対的な降下に伴い該平板部材は、固液界面がコニカル部を掃引している間は直胴部とコニカル部との境界位置に配置され、固液界面が直胴部を掃引している間は該坩堝の降下にかかわらず固液界面よりも所定の距離上方に配置されることを特徴とする単結晶製造方法。
【請求項２】
前記所定の距離は、１０〜１５０ｍｍであ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】
垂直ブリッジマン法による単結晶製造装置において、炉の内部に配置され、コニカル部と該コニカル部の上部に位置する直胴部からなり単結晶材料を保持する坩堝と、該坩堝の内部に該坩堝と相対的に上下動可能に配置されている平板部材と、該坩堝を該炉に対して相対的に上下動させる支持部材と、該坩堝の該炉に対する相対的な降下に伴い該平板部材を、固液界面がコニカル部を掃引している間は直胴部とコニカル部との境界位置に配置し、固液界面が直胴部を掃引している間は該坩堝の降下にかかわらず固液界面よりも所定の距離上方に配置する制御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４】
前記所定の距離は、１０〜１５０ｍｍであることを特徴とする請求項３に記載の単結晶製造装置。
【請求項５】
前記平板部材には温度センサが取り付けられており、該温度センサの値により該平板部材が前記固液界面から前記所定の距離に位置するように前記制御手段により制御することを特徴とする請求項３に記載の単結晶製造装置。
【請求項６】
前記平板部材には距離センサが取り付けられており、該距離センサの値により該平板部材と前記固液界面との距離を測定することで、該平板部材が前記固液界面から前記所定の距離になるように前記制御手段により制御することを特徴とする請求項３に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製造方法及び装置に関わるもので、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）による単結晶製造方法、及び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、ＡｒＦ各エキシマレ−ザ−、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−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、非常に高い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、その製造装置は米国特許２２１４９７６（特許文献１）に記載されている。その概略断面図を図５に示す。図５（ａ）に於いて、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度まで上げ熔融する。図５（ｂ）は、炉の中心部の鉛直方向に沿った温度を示すグラフである。図５（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。結晶成長させる時は、０．１〜５ｍｍ／ｈ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、坩堝５の下部の方から原料を結晶化させていく。図５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。
【０００６】
しかしながら前述の米国特許２２１４９７６に記載の垂直ブリッジマン法では、近年要求されるような大口径、例えば直径３００ｍｍ以上になると、高品質の単結晶が出来難くなる。その原因として融液内に生じる対流を挙げることができる。この対流に関しては特開平５−１２４８８７（特許文献２）に指摘されている。特開平５−１２４８８７には固液界面直上で温度勾配０℃／ｃｍとなる領域を設けることで対流を遮断し、固液界面が対流の影響を受けないようにする方法が記載されている。
【特許文献１】米国特許２２１４９７６
【特許文献２】特開平５−１２４８８７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら特開平５−１２４８８７には固液界面付近で温度勾配０℃／ｃｍとしているために固液界面以外の場所も融点温度になり、固液界面位置が炉に対して不安定になると考えられる。したがって温度勾配を保持しつつ対流を抑制する方法が必要である。
【０００８】
坩堝５は外側から加熱されるため、融液６の半径方向、あるいは坩堝壁面と融液６の間に温度差が生じ半径方向の対流は生じてしまう。図４に於いて、矢印９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６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対流が誘起される。その結果、融液６が均熱化する。一方、坩堝１の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５の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１の壁面温度が融液温度より低く、上部では坩堝５及び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５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大きくなる。そして、この対流が、固液界面近傍の温度を擾乱し、結晶の品質を悪化させたり、バウンダリーを発生させたりする要因になっている。
【０００９】
本発明の目的は、このような融液の対流の影響を無くし、大口径で高品質の単結晶を製造できる単結晶製造方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の課題を解決するために、本発明の単結晶製造方法は、炉の内部に配置され、コニカル部分とコニカル部の上部に位置する直胴部からなり単結晶材料を保持する坩堝と、坩堝の内部に坩堝に対して上下動可能に配置されている平板部材と、坩堝を該炉に対して上下動させる支持部材とを有し、坩堝の降下に伴い平板部材は、固液界面がコニカル部を掃引している間は直胴部とコニカル部との境界位置に配置され、固液界面が直胴部を掃引している間は坩堝の降下にかかわらず固液界面よりも所定の距離上方に配置されることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の垂直ブリッジマン法による単結晶製造装置は、炉の内部に配置され、コニカル部とコニカル部の上部に位置する直胴部からなり単結晶材料を保持する坩堝と、坩堝の内部に坩堝と上下動可能に配置されている平板部材と、坩堝を炉に対して上下動させる支持部材と、坩堝の炉に対する降下に伴い該平板部材を、固液界面がコニカル部を掃引している間は直胴部とコニカル部との境界位置に配置し、固液界面が直胴部を掃引している間は坩堝の降下にかかわらず固液界面よりも所定の距離上方に配置する制御手段とを有することを特徴としている。
【００１２】
このような構成とすることにより、平板部材よりも下部における単結晶材料の対流を防ぐ事ができる。尚、坩堝と炉、及び坩堝と平板部材は相対的に上下動可能な構成であれば良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、坩堝内の融液中に水平に平板部材を配置し、該平板部材を固液界面に対して微小距離を隔てて保持することにより、該平板部材と固液界面との間では対流が無くなり、その結果、固液界面近傍の温度が安定して、大口径で高品質の単結晶の製造が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、坩堝内の融液中に水平に平板部材を配置し、且つ該平板部材を固液界面に対して微小距離を隔てて上方に保持することにより、該平板部材と固液界面との間では対流が無くし、固液界面近傍の温度が安定して、大口径で高品質の単結晶の製造を可能とするものである。以下にその詳細を図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の実施例１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である。５は支持棒４の上端に取り付けた坩堝であり、５ａは直胴部、５ｂはコニカル部である。支持棒４を不図示の手段により上下動させることにより、坩堝５は上下動する。６は単結晶材料である融液、７は固液界面、８は固化した結晶である。矢印９は融液６の対流のパターンを示す。１０は坩堝５の内部に配置された平板部材であり、１１は平板部材１０の保持手段となる支柱である。平板部材１０は濡れ性が小さく、非常に高温な環境下で使用できることが求められるため高純度カーボンであることが望ましい。支柱１１は坩堝５の上面を貫通し、更に上端は炉本体１を貫通しその先端に錘１２が取り付けられている。支柱１１を不図示の手段により上下動させることにより平板部材１０は上下動する。平板部材１０を降下させる際、錘１２が炉本体１の上面と接触することにより、平板部材１０を降下は停止する。
【００１６】
図１（ｂ）は、炉の中心部の鉛直方向に沿った温度を示すグラフである。横軸は温度、縦軸は単結晶製造装置の縦方向の位置を示す。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、ヒータ３ａ、３ｂを制御する。次に坩堝５を支持棒４を降下させることにより高温領域１ａから低温領域１ｂに降下させ、坩堝５の最下部から順に結晶化させていく。
【００１７】
次に本実施例の単結晶製造装置による単結晶の製造方法を図２を使って説明する。先ず坩堝５に単結晶原料を入れ、図２（ａ）に示すように高温領域１ａで溶融する。このとき固液界面７となる炉の位置は、坩堝５の最下端部に位置している。この時炉本体１の上面と錘１２の下面との間隔はｈであり、この値は坩堝６のコニカル部５ｂの高さに所定の微小距離ｄを加えた値となっている。ただし坩堝５の最下端部を、炉本体の固液界面７に相当する位置よりも上部に配置する場合は、その距離分だけ距離ｈを長く取る必要がある。
【００１８】
次に単結晶原料が完全に溶融し融液６となった後、坩堝６をゆっくり下降させる。この時の速度は０．５ｍｍ／Ｈｒ〜５．０ｍｍ／Ｈｒが一般的である。図２（ｂ）は固液界面がコニカル部５ｂを結晶が成長している途中を示している。固液界面７がコニカル部５ｂを掃引している間、平板部材１０は坩堝５とともに下方に移動することで、コニカル部５ｂと直胴部５ａの境界位置に配置される。
【００１９】
次に坩堝６を更に下降させる。図２（ｃ）は固液界面が直胴部５ａを結晶が成長している途中を示している。平板部材１０は炉本体１に対して距離ｈだけ移動した時点で錘１２の底面が炉本体１の上面に接して停止する。炉本体１に対して停止した時点で平板部材１０と固液界面７との距離が微小距離ｄになるように支柱１１の長さをあらかじめ調整されている。固液界面７の位置は、前記の温度分布によってほぼ一定位置に固定されており、支柱１１の長さ調整によって直胴部分５ａの成長時には固液界面７と平板部材１０との距離を微小距離ｄに保持することができる。
【００２０】
平板部材１０と固液界面７の距離が微小距離ｄとなる直胴部分５ａでは平板部材１０によって融液６は上下に分断される。平板部材１０の上方の融液６では対流９が発生するが、この対流は固液界面７に影響しない。むしろ、対流によって平板部材１０が均熱化し、平板部材１０の下方の融液６の対流を抑制することができる。
【００２１】
平板部材１０の下側の微小距離ｄは、その値をできるだけ小さくすることにより固液界面７との間の融液温度の融点温度に対する増分を低減できる。それは対流の駆動エネルギーの低減を意味し、対流を抑制する。固液界面７に対する対流の影響が無くなると、固液界面７の近傍の温度が安定する。また固液界面７における温度勾配は平板部材１０の有無に関わらず維持されるので温度擾乱に対する固液界面位置の安定性も維持されている。
【００２２】
次に坩堝６を更に下降させる。図２（ｄ）は坩堝５内の融液６すべて固化した結晶８となった状態を示している。この時平板部材１０は坩堝上部と結晶との隙間に位置しており、結晶には触れていない。この様にして製造された単結晶は。ゆっくりと冷やされて坩堝５から取り出される。
【００２３】
図１（ａ）の坩堝降下開始位置では固液界面７と平板部材１０との距離はコニカル部５ｂの高さと同じであり、平板部材１０が坩堝５と共に降下することで図１（ｃ）のように平板部材１０と固液界面７の距離が対流を抑制することができる微小距離ｄとなる。またその距離を保持することができるためコニカル角度が小さい坩堝であっても直胴部５ａに於いて大口径で高品質の単結晶の製造が可能となる。またコニカル部においても、平板部材１０により坩堝５ないの対流する容積を小さくできるため有利である。
【００２４】
尚、距離ｄは可能な限り小さくするのが良いが、坩堝５の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と平板部材１０が接触することがないように支柱１１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。１０ｍｍ以下だと結晶成長に巻き込まれル可能性が高くなり、１５０ｍｍ以上だと対流抑制効果が小さくなってしまう。
【００２５】
また、平板部材１０の上下の融液６は流通可能になっていなければならない。そのため、平板部材１０の外径と坩堝５の直胴部５ａの内径の間に隙間が設けられている。この隙間の値は、できるだけ狭いほうが良い。内径２５０〜３５０ｍｍの坩堝に対して、片側５０ｍｍ以下とするのが良い。５０ｍｍ以上だと対流の影響を受けてしまう。また、流通経路を確保する他の方法として、平板部材１０に１つ以上の小穴を設けても良い。
【００２６】
また、平板部材１０は静止しているのが望ましいが、融液６の温度を擾乱させない限りに於いて、支柱１１の先端を錘ではなく駆動手段を設置することで回転あるいは微小上下動させても構わない。平板部材１０を回転あるいは微小上下させることにより平板部材の均熱化を促進し、対流の駆動エネルギーを低減できる。
【実施例２】
【００２７】
図３は、本発明の実施例２に関わる単結晶製造装置の断面図である。図３に於いて、２０は平板部材、２１は平板部材２０を保持する支柱、２２は平板部材２０に固定された温度センサ、２３は支柱２２を上下に駆動する支柱駆動手段、２４は温度センサ２２の信号を受けて支柱駆動手段２３に駆動量を出力する演算手段である。その他の部分は実施例１の図１と同じである。図３の構成に於いて、温度センサ２２、演算手段２４、支柱駆動手段２３はフィードバック制御系を成し、次のように制御される。
【００２８】
温度センサ２２は平板部材２０の直下の融液６の温度を検出し、支柱駆動手段２３は温度センサ２２の検出温度が融点温度＋α（αは微小温度）となるまで平板部材２０を坩堝５と共に降下させる。温度センサ２２の検出温度が融点温度＋α（αは微小温度）となった時点で演算手段２４は温度センサ２２の検出温度が融点温度＋α（αは微小温度）を保持するように駆動量を演算してその値を支柱駆動手段２３に出力する。固液界面７の近傍では上方に正の温度勾配があるので、平板部材２０は固液界面７の僅か上方に維持される。その結果、平板部材２０と固液界面７との間の融液の対流が抑制され、固液界面近傍の温度が安定して、大口径で高品質の単結晶の製造が可能となる。実施例２では、坩堝５の降下の過程における固液界面７の位置変動に対して、平板部材２０の位置が自動補正されるので、固液界面７と平板部材２０が接触する危険性が少ない。また、坩堝５の降下に伴う平板部材２０の移動を温度制御するため、支柱２２の長さ調整のための実験を行う必要がなく、装置の操作性が向上する。
【実施例３】
【００２９】
図４は、本発明の実施例３に関わる単結晶製造装置の断面図である。図４に於いて、３０は平板部材、３１は平板部材３０保持する支柱、３２は平板部材３０に固定された距離センサ、３３は支柱３２を上下に駆動する支柱駆動手段、３４は距離センサ３２の信号を受けて支柱駆動手段３３に駆動量を出力する演算手段である。その他の部分は実施例１の図１と同じである。図４の構成に於いて、距離センサ３２、演算手段３４、支柱駆動手段３３はフィードバック制御系を成し、次のように制御される。
【００３０】
距離センサ３２は平板部材３０と固液界面７の距離を検出し、支柱駆動手段３３は距離センサ３２の検出値が微小距離ｄとなるまで平板部材３０を坩堝と共に降下させる。距離センサ３２の検出値が微小距離ｄとなった時点で演算手段３４は距離センサ３２の検出値が微小距離ｄを保持するように駆動量を演算してその値を支柱駆動手段３３に出力する。実施例３では、坩堝５の降下の過程における固液界面７の位置変動に対して、平板部材３０の位置が自動補正されるので、固液界面７と平板部材３０が接触する危険性が少ない。また、間隔ｄを直接検出しているため、その値を微小に設定できる。その結果、平板部材３０と固液界面７との間の融液の対流が抑制され、固液界面近傍の温度が安定して、大口径で高品質の単結晶の製造が可能となる。また、坩堝の降下に伴う平板部材３０の移動を距離センサ３２によって制御するため、支柱の長さ調整のための実験をする必要がなく、装置の操作性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施例１に関わる単結晶製造装置の断面図である。
【図２】実施例１に関わる単結晶製造装置の製造プロセスを示す断面図である。
【図３】実施例２に関わる単結晶製造装置の断面図である。
【図４】実施例３に関わる単結晶製造装置の断面図である。
【図５】従来の単結晶製造装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  炉本体
１ａ  高温領域
１ｂ  低温領域
２  断熱部材
２ａ  上ヒータ
３ｂ  下ヒータ
４  支持棒
５ａ  直胴部
５ｂ  コニカル部
６  融液
７  固液界面
８  結晶
９  対流
１０、２０、３０  平板部材
１１、２１、３１  支柱
１２  錘
２２  温度センサ
３２  距離センサ
２３、３３  駆動部
２４、３４  演算装置
【図１】
2005231978.tif 000003
【図２】
2005231978.tif 000004
【図３】
2005231978.tif 000005
【図４】
2005231978.tif 000006
【図５】
2005231978.tif 000007