JP2005132676A

JP2005132676A - 単結晶製造方法及び装置

Info

Publication number: JP2005132676A
Application number: JP2003370642A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Yabu; 修一藪
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】坩堝内の半径方向の温度差や坩堝壁面の温度勾配により発生する対流が、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。
【解決手段】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。
【選択図】図１

Description

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）による単結晶製造方法、及び単結晶製造装置に関するものである。

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。

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。

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。

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７（ａ）に示すような構成になっている。図７（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７（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７（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／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、下部の方から結晶化させていく。図７（ａ）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。
米国特許２２１４９７６

しかしながら前記のような従来の垂直ブリッジマン法では、近年要求が高まっている大口径の蛍石、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。その原因として坩堝は外側からの加熱により、融液の半径方向、あるいは坩堝壁面と融液の間に温度差により起こる対流を挙げる事ができる。図７（ａ）に於いて、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、融液が均熱化する。一方、坩堝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）では坩堝壁面温度が融液温度より低く、上部では坩堝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強くなる。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。

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。

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、坩堝内の原料を溶融し温度勾配を利用して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ジマン法による単結晶製造方法に於いて、該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、該融液と結晶との境界に形成される固液界面に対して微小距離に維持しながら単結晶を育成することを特徴とする。

また、本発明の単結晶製造装置は、坩堝内の原料を溶融し温度勾配を利用して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ジマン法による単結晶製造装置に於いて、該坩堝内の融液中に水平に配置された平板部材と、平板部材を融液と結晶との境界に形成される固液界面に対して微小距離を隔てた上方に維持して保持する保持手段とを有することを特徴とする。

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。

（実施例１）
図１（ａ）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の上端に取りつけた坩堝、１０は平板部材、１１は平板部材１０の保持手段となる支柱である。支柱１１の上端は炉本体１に固定されている。

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、坩堝５に原料を入れ、高温領域１ａで溶融する。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。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、ヒーター３ａ、３ｂを制御する。次に坩堝５を高温領域１ａから低温領域１ｂに降下させ、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。固液界面７の位置は、上記の温度分布によってほぼ一定位置Ｚ１に固定されるので、支柱１１の長さを調整して、平板部材１０を固液界面７の上方に距離ｄを保つように保持できる。この平板部材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の下方の融液の対流を抑制する効果がある。平板部材１０の下側では、距離ｄを小さくするとにより固液界面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、固液界面近傍の温度が安定する。且つ又、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。その結果、大口径で高品質の単結晶の製造が可能となる。

尚、距離ｄは可能な限り小さくするのが良いが、坩堝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。

また、平板部材１０の上下の融液は流通可能になっていなければならない。その流通経路を確保する方法の１つは、平板部材１０の外径と坩堝５の内径の間に隙間を取ることである。発明者らの検討結果によると、内径２５０〜３５０ｍｍの坩堝に対して、隙間の大きさは片側５０ｍｍ以下とするのが良い。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。

また、平板部材１０は静止しているのが望ましいが、融液温度を擾乱させない限りに於いて回転あるいは微小上下動させても構わない。また、融液に触れる部材の材料は高純度カーボンであることが望ましい。また、平板部材１０の下面の形状は必ずしも真の平面である必要は無く、図２に示すように上にやや凸、或は図３に示すように周辺部に下向きの小さな段が付いた形状になっていても良い。図２或は図３のような形状にすると、固液界面７の形状を上に凸にする効果がある。

（実施例２）
図４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４に於いて、２０は平板部材、２１は平板部材２０保持する支柱、２２は平板部材２０に固定された温度センサー、２３は支柱２２を上下に駆動する支柱駆動手段、２４は温度センサー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２の構成に於いて、温度センサー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。即ち、温度センサー２２は平板部材２０の直下の融液温度を検出し、演算手段２４は温度センサー２２の検出温度が常に融点温度＋α（αは微小温度）とな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。第二の実施の形態では、坩堝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。

（実施例３）
図５は、実施例３に関わる単結晶製造装置の断面図である。図５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に固定されたギャップセンサー、３３は支柱３２を上下に駆動する支柱駆動手段、３４はギャップセンサー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５の構成に於いて、ギャップセンサー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。即ち、ギャップセンサー３２は平板部材３０と固液界面７の間隔ｄを検出し、演算手段３４はギャップセンサー３２の検出値が一定の微小量とな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。

（実施例４）
図６は、実施例４に関わる単結晶製造装置の断面図である。図４に於いて、４０は内坩堝、４１は内坩堝４０の底面、４２は内坩堝４０を保持する支柱である。その他の部分は実施例１の図１と同じである。第四の実施の形態は、坩堝５の内側に内坩堝４０を設けたもので、その底面４１が、実施例１の平板部材１０に相当する。また、図示は無いが、底面４１には融液の流通経路として少なくとも１つの小孔が設けられている。第四の実施の形態では、坩堝５の引き下げ過程に於いて、内坩堝４０の位置はヒーター３ａ、３ｂに対して変わらない。従って、坩堝５の引き下げに伴う内坩堝４０の温度変化が少ない。その結果、融液６の温度がより安定するという効果がある。

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。実施例１の平板部材１０の変形例を示す断面図である。実施例１の平板部材１０の他の変形例を示す断面図である。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。本発明の実施例３関わる単結晶製造装置の断面図である。本発明の実施例４に関わる単結晶製造装置の断面図である。従来の単結晶製造装置の断面図である。

符号の説明

１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
６融液
７固液界面
８結晶
９対流
１０平板部材
１１支柱
２０平板部材
２１支柱
２２温度センサー
２３支柱駆動手段
２４演算手段
３０平板部材
３１支柱
３２ギャップセンサー
３３支柱駆動手段
３４演算手段
４０内坩堝
４１内坩堝底面
４２支柱

Claims

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ジマン法による単結晶製造方法に於いて、該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、該融液と結晶との境界に形成される固液界面に対して微小距離に維持しながら単結晶を育成することを特徴とする単結晶製造方法。
坩堝内の原料を溶融し温度勾配を利用して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ジマン法による単結晶製造装置に於いて、該坩堝内の融液中に水平に配置された平板部材と、該平板部材が該融液と結晶との境界に形成される固液界面に対して常に微小距離を隔てた上方に維持されるように保持する保持手段とを有することを特徴とする単結晶製造装置。