JP2005089204A - Apparatus and method for producing crystal - Google Patents
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Abstract
Description
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及びそれを用いた結晶製造方法に関する。 The present invention relates to a crystalline material manufacturing apparatus manufactured by melting and solidifying at a high temperature and a crystal manufacturing method using the same.
又、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及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。 The present invention also relates to a fluoride crystal production apparatus suitable for various optical elements, lenses, window materials, prisms and the like used in a wide wavelength range from the vacuum ultraviolet region to the far infrared region, and a crystal production method using the same. In particular, the present invention relates to a method for producing a calcium fluoride (CaF 2 ) crystal that is a material of an optical element used in an exposure apparatus for photolithography using an excimer laser.
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等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号及び2,214,976号参照)がある。 In the production of a single crystal material, a method in which a polycrystalline material as a raw material is melted at a high temperature and then a crystal is grown on the seed crystal by a method such as providing a temperature gradient inside the melt is often used. As a typical manufacturing method, there is a vertical Bridgman method (VB method, see US Pat. Nos. 2,149,076 and 2,214,976) in which a crucible moves in a furnace having a temperature distribution. is there.
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。 In the crystal manufacturing apparatus used in the VB method, a crucible charged with raw materials is installed in the furnace body, and an annular heating element is arranged in the vertical direction around the crucible. The temperature inside the furnace is controlled to be lower than the melting point. In the VB method, the temperature distribution is used to melt the raw material in the crucible at the upper part of the furnace body, and then when the crucible is pulled down to the lower part of the furnace body at a predetermined speed, when passing through the temperature range near the melting point. Single crystals are grown by successively depositing from the melt while preserving the crystal orientation on the surface of the seed crystal or the grown single crystal.
このとき、既に育成した単結晶表面には不純物の析出が生じる(固液界面の液体側に不純物が排除される現象を一般に偏析と呼ぶ)。そして、実際には、偏析による、所謂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易い状況となり、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。 At this time, precipitation of impurities occurs on the surface of the already grown single crystal (a phenomenon in which impurities are eliminated on the liquid side of the solid-liquid interface is generally called segregation). In practice, the so-called compositional supercooling effect due to segregation makes it easy for the melt to solidify at a fixed distance from the surface of the single crystal. It becomes polycrystalline.
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。例えば特許文献1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。
In order to suppress the formation of polycrystals due to such compositional supercooling, it is generally known that it is effective to increase the temperature gradient in the vicinity of the growth surface of a single crystal where precipitation occurs. Yes. For example, in the invention disclosed in
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。 However, the operation of increasing the temperature gradient at the crystal growth position in order to suppress the formation of a polycrystal due to the compositional supercooling as described above may deteriorate the quality of the grown crystal.
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。 Hereinafter, the problem caused by the high temperature gradient will be described by taking calcium fluoride as an example.
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易く、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法等により育成されている。 Calcium fluoride has a high transmittance for short-wavelength light, and is indispensable for the formation of ultrafine patterns associated with high integration of semiconductor integrated circuits (KrF excimer laser light (wavelength 248 nm), ArF excimer laser light (wavelength 193 nm), F 2. It is considered to be an effective material for an optical system of an exposure apparatus using excimer laser light such as excimer laser (wavelength 157 nm). At this time, when a polycrystal is used, it is difficult to ensure the surface accuracy required for each lens constituting the optical system of the exposure apparatus. In addition, impurities are easily segregated at the crystal interface, and the uniformity of the refractive index is impaired, and the durability of the lens is problematic. Therefore, a large-diameter single crystal calcium fluoride is used as a projection lens for an excimer laser exposure apparatus. It is desired and grown by the above-described VB method or the like.
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。 When growing a single crystal of calcium fluoride, there is a problem that the crystal grown by compositional supercooling becomes polycrystalline as described above, and therefore a constant temperature gradient is added in the vicinity of the crystal growth surface. It is necessary.
しかしながら、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号公報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。つまり、大きな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になってしまう。そのため、温度勾配を大きくすることなく、組成的過冷却の影響によらず単結晶を育成する方法が望まれている。 However, a calcium fluoride crystal that has undergone a rapid temperature change has an increased birefringence due to crystal defects that occur at that time, and the quality deteriorates from an optical viewpoint. It is also disclosed in Japanese Patent Application Publication No. 11-240787. This phenomenon is the same in other fluoride crystals, and it is known that birefringence easily increases even with a relatively small temperature change, particularly in a high temperature range just below the melting point. Furthermore, the crystal that has undergone a rapid temperature change becomes brittle and hinders subsequent handling. In other words, adding a large temperature gradient to the crystal growth surface reduces the quality of the grown single crystal. Therefore, a method for growing a single crystal without increasing the temperature gradient and regardless of the influence of compositional supercooling is desired.
温度勾配を変えずに組成的過冷却を抑制するためには、その根本原因である成長界面に偏析した不純物の濃度を下げる必要がある。 In order to suppress compositional supercooling without changing the temperature gradient, it is necessary to reduce the concentration of impurities segregated at the growth interface which is the root cause.
そこで、本発明は、弗化物単結晶の育成に使用する結晶製造装置において界面付近に偏析した不純物を攪拌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及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。 Therefore, the present invention provides a means for stirring impurities segregated in the vicinity of the interface in a crystal manufacturing apparatus used for growing a fluoride single crystal, so that a single crystal can be satisfactorily produced while suppressing the introduction of crystal defects. It is an object of the present invention to provide a crystal production apparatus that can be grown and a crystal production method using the same.
上記目的を達成するため、本発明は、坩堝内の融液を超音波により攪拌することができる機構を設け、偏析による界面付近の不純物を拡散することにより、組成的過冷却を抑え、以って安定した結晶成長を行うことができることとした。 In order to achieve the above object, the present invention provides a mechanism capable of agitating the melt in the crucible with ultrasonic waves and diffuses impurities in the vicinity of the interface due to segregation, thereby suppressing compositional supercooling. And stable crystal growth can be performed.
以上の手段として、請求項2に係る発明は、カーボン製の棒状部材を坩堝内に挿入することで、融液中に超音波を導入することを特徴とする結晶製造装置に係る発明である。 As a means described above, the invention according to claim 2 is an invention relating to a crystal manufacturing apparatus characterized in that an ultrasonic wave is introduced into a melt by inserting a carbon rod-like member into a crucible.
請求項3に係る発明は、原料を収納する坩堝を支持する棒を介して、融液中に超音波を導入することを特徴とする結晶製造装置に係る発明である。
The invention according to
請求項7に係る発明は、請求項1〜6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。
The invention according to claim 7 is an invention according to a crystal manufacturing method, wherein a single crystal is manufactured by using the crystal manufacturing apparatus according to
この発明により、組成的過冷却により多結晶となることを抑制することが可能となり、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。 According to the present invention, it becomes possible to suppress the formation of polycrystals due to compositional supercooling, and it is possible to grow a high-quality single crystal even if it is a fluoride single crystal or the like.
本発明によれば、弗化物の単結晶育成に使用する結晶製造装置において融液を攪拌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及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。 According to the present invention, a crystal capable of growing a single crystal satisfactorily while suppressing the introduction of crystal defects by providing means for stirring the melt in a crystal manufacturing apparatus used for growing a single crystal of fluoride. A manufacturing apparatus and a crystal manufacturing method using the same can be provided.
又、本発明によれば、特に弗化カルシウム結晶の単結晶育成に使用する結晶製造装置において坩堝移動速度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及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。 In addition, according to the present invention, a high-quality single crystal that suppresses the birefringence to a minimum can be obtained by providing means for adjusting the crucible moving speed in a crystal manufacturing apparatus used for growing a single crystal of calcium fluoride crystal. It is possible to provide a crystal manufacturing apparatus that can be stably grown and a crystal manufacturing method using the crystal manufacturing apparatus.
本発明に係る坩堝引下げ法により結晶を育成する場合において、融液の攪拌が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。 In the case where the crystal is grown by the crucible pulling method according to the present invention, the influence of the stirring of the melt on the crystal growth in the crucible will be described below.
図3に界面から排除される不純物の液相内に及び濃度分布を示す。 FIG. 3 shows the concentration distribution in the liquid phase of impurities excluded from the interface.
偏析係数をkとした。界面付近の不純物濃度は、偏析の影響により高くなっている。又、図3には液相内の濃度分布に対応した平衡温度も併せて示した。液相内の平衡温度は、濃度変化の大きい界面付近で大きく変化している。過冷却は、この液相側に排除された不純物の濃度に起因した平衡温度の変化が原因となっている。 The segregation coefficient was k. The impurity concentration near the interface is high due to the effect of segregation. FIG. 3 also shows the equilibrium temperature corresponding to the concentration distribution in the liquid phase. The equilibrium temperature in the liquid phase changes greatly near the interface where the concentration change is large. The supercooling is caused by a change in the equilibrium temperature due to the concentration of impurities excluded on the liquid phase side.
そこで、良質且つ大口径の結晶を製造するため、過冷却の原因である不純物を拡散し、均一な濃度にする機構が必要となってくる。融液内の不純物を攪拌し、液相内の不純物濃度を均一にすることができれば、融液内の平衡温度も均一化され、結果、組成的過冷却を抑えることが可能となる。 Therefore, in order to manufacture a high-quality and large-diameter crystal, a mechanism for diffusing impurities that cause supercooling to obtain a uniform concentration is required. If the impurities in the melt can be stirred and the impurity concentration in the liquid phase can be made uniform, the equilibrium temperature in the melt can be made uniform, and as a result, compositional supercooling can be suppressed.
本発明による融液の攪拌機構について図4を用いて説明する。 The melt stirring mechanism according to the present invention will be described with reference to FIG.
図4のように超音波を坩堝内の融液5aに導入するため、グラファイト製の棒状部材7を融液内に挿入する。棒状部材7の径は、融液中の温度分布への影響を極力抑えるよう10mm以下にする。
In order to introduce ultrasonic waves into the
又、棒状部材7の融液内での位置は、坩堝が低温領域に移動することで結晶成長する間、界面と一定の距離を保った状態に調整、保持されている。棒状部材7の端部には、超音波を発生するためのピエゾ素子8が取り付けられている。棒状部材7を介して融液内に導入された超音波16は、媒質である融液5aを振動させることで偏析による不純物を攪拌、拡散する。超音波攪拌は、他の方法と比較して、界面付近でより強い力が働くため、界面付近の不純物を拡散させるのに適している。超音波攪拌により不純物が拡散され、組成的過冷却領域が消滅したことで、成長工程全域に亘って安定した結晶成長が実現できる。
Further, the position of the rod-shaped member 7 in the melt is adjusted and held at a certain distance from the interface while the crucible moves to the low temperature region and the crystal grows. A
本発明に係る第2の機構による融液の攪拌法は、坩堝支持棒を介して融液内に超音波を導入する以外は、上記攪拌機能と全く同様である。 The melt stirring method by the second mechanism according to the present invention is exactly the same as the above stirring function except that ultrasonic waves are introduced into the melt through the crucible support rod.
以上のように超音波により融液を攪拌することで、成長工程全域に亘って安定に成長した良質な大口径結晶を製造することができる。 By stirring the melt with ultrasonic waves as described above, a high-quality large-diameter crystal that has been stably grown over the entire growth process can be produced.
<実施の形態1>
本発明の一実施形態として図1に基づいて説明する。
<
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1は本発明の実施の形態1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。
FIG. 1 is a schematic diagram of a crystal manufacturing apparatus according to
この装置においては、真空排気手段12により真空に保持可能な炉室10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、更にその周囲に断熱材13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。
In this apparatus, a graphite crucible 4 for growing a crystal is installed inside a
又、結晶成長面を{111}、{100}、{110}の何れかに制御するため、坩堝下部には種結晶15を設置している。坩堝内には融液を攪拌するため、直径10mmのグラファイト製の棒7が挿入されており、その端部には超音波振動子であるピエゾ素子8及びグラファイト製の棒7の位置を調整するための昇降機構9が取り付けてある。グラファイト製の棒7の位置は、結晶成長中に界面との距離を一定に保つよう適当な位置で調整、保持されている。
Further, in order to control the crystal growth surface to any of {111}, {100}, and {110}, a
超音波の振動周波数は、余り高過ぎると凝集を引き起こす可能性があるので40kHzとした。本実施の形態では、側面ヒータ3は上下の2段から成り、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、又、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。ヒータの温度制御は、各ヒータの中程の外側に設置した熱電対2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。
The vibration frequency of the ultrasonic wave was set to 40 kHz because it may cause aggregation if it is too high. In the present embodiment, the
単結晶の育成は、このような温度分布を維持しつつ、超音波で融液を攪拌しながら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更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。 Single crystal growth is achieved by maintaining the temperature distribution and pulling down the crucible sequentially while stirring the melt with ultrasound to further melt the surface of the grown single crystal at a location near the melting temperature. The liquid is deposited so that the whole becomes a single crystal.
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時間当たり0.1mm〜5mmが好ましい。又、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。育成中の真空度は、炉室8の内部が10−3〜10−4Pa程度に保つのが好ましい。
In growing a calcium fluoride single crystal, the descending speed of the crucible depends on the furnace structure, but is preferably 0.1 mm to 5 mm per hour. Further, it is desirable to rotate the crucible at 1 rph or more so that the temperature unevenness of the heater does not affect the crystal growth. The degree of vacuum during the growth is preferably maintained in the
育成する弗化物結晶の長さは通常は100〜400mm程度であり、300〜700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成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。 The length of the fluoride crystal to be grown is usually about 100 to 400 mm, and a single crystal is grown in a growth time of about 300 to 700 hours. Subsequently, the fluoride crystal that has grown is heat-treated in an annealing furnace to relieve thermal stress remaining in the crystal during growth. Thereafter, it is molded into the required optical article shape. By combining various lenses thus obtained, a projection optical system and illumination optical system suitable for excimer lasers, particularly ArF excimer lasers and F 2 excimer lasers can be constructed. An exposure apparatus for photolithography can be configured by combining an excimer laser light source, an optical system having a lens made of calcium fluoride crystal obtained by the manufacturing method of the present invention, and a stage capable of moving the substrate.
<実施の形態2>
図2は本発明の実施の形態2に係る結晶製造装置の模式図である。
<Embodiment 2>
FIG. 2 is a schematic diagram of a crystal manufacturing apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
図2においては、坩堝支持棒部に超音波振動子8を設けることで、原料融液を攪拌できるようになっている。超音波発生部分以外の構成は図1と同様であり、操作方法も実施の形態1と同様である。
In FIG. 2, the raw material melt can be stirred by providing the
本実施の形態に用いた結晶製造装置で融液を攪拌したことにより、単結晶の製造歩留まりが1.5倍程度に向上した。 By stirring the melt with the crystal production apparatus used in the present embodiment, the production yield of the single crystal was improved by about 1.5 times.
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及びそれを用いた結晶製造方法に対して適用可能である。 The present invention can be applied to an apparatus for manufacturing a crystalline material manufactured by melting and solidifying at a high temperature and a crystal manufacturing method using the same.
1 結晶育成炉の筐体
2 ヒータ制御用の熱電対
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 グラファイト製の棒
8 超音波振動子
9 グラファイト製の棒の昇降機構
10 炉室
11 坩堝の回転と上下動作
12 真空排気手段
13 断熱材
14 冷却水
15 種結晶
16 超音波
DESCRIPTION OF
Claims (7)
超音波により原料融液を攪拌することを特徴とする結晶製造装置。 A crystal comprising a heating means arranged so as to substantially surround the crucible and a heat insulating means arranged so as to substantially surround the heating means, and solidifying a molten raw material of fluoride by moving the crucible from a high temperature region to a low temperature region In manufacturing equipment,
A crystal manufacturing apparatus, wherein the raw material melt is agitated by ultrasonic waves.
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Cited By (2)
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JP2007031247A (en) * | 2005-07-29 | 2007-02-08 | Hitachi Chem Co Ltd | Calcium fluoride single crystal |
JP2013107803A (en) * | 2011-11-22 | 2013-06-06 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Apparatus and method for growing crystal |
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2003
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